Введение в динамику автомобиля

Часто говорят, что основные силы, которыми управляются высокоскоростные автомобили, становятся очевидными в четырёх кусочках, каждая размером с ладонь человека, где шина соприкасается с дорогой. Это действительно так. Знание сил и моментов, порождённых пневматическими (резиновыми) шинами в месте контакта с землёй имеет важное значение для понимания динамики скоростного автомобиля. Динамика транспортного средства в самом широком смысле охватывает все виды передвижения: кораблей, самолётов, железнодорожных поездов, гусеничных транспортных средств, а также транспортных средств с резиновыми шинами. Принципы, связанные с динамикой этих различных типов транспортных средств, разнообразны и обширны. Таким образом, эта книга посвящена только автомобилям с резиновыми шинами. Большая часть обсуждений и примеров сосредоточится на автомобиле, хотя эти принципы применимы непосредственно и к грузовым автомобилям и автобусам, большим и малым. В случае необходимости, когда конструктивный дизайн или эксплуатационные качества отличают их от автомобиля, грузовики будут обсуждаться отдельно.

Поскольку поведение транспортного средства - это движение, заключающееся в ускорении, торможении, повороте и езде - это ответная реакция на действующие на него силы, большая часть исследования динамики транспортного средства должна включать изучение того, как и почему создаются эти силы. Основные силы, действующие на автомобиль и управляющие его поведением, создаются шинами при контакте с дорогой. Таким образом, становится необходимым получить глубокое понимание поведения шин, характеризующееся силами и моментами, порождёнными в широком диапазоне условий, в которых они работают. Изучение только характеристик шины без глубокого понимания её значимости для транспортного средства недостаточно, как и обратное. Таким образом, соответствующие свойства шин вводятся в соответствующих местах первых глав текста, в то время как для более подробного обсуждения свойств шин читатель может обратиться к Главе 10.

Вначале стоит отметить, что термин "управление" ("handling") часто используется наравне с поворотом (cornering), виражом (turning), или направленной реакцией (directional response), но есть некоторые различия между этими терминами. Поворот, вираж и направленная реакция ссылаются на объективные свойства транспортного средства при изменении направления и поддержание бокового ускорения в этом процессе. Например, способность к повороту может быть количественно выражена уровнем бокового ускорения, которое может быть выдержано в стабильном состоянии, или направленная реакция может быть количественно определена моментом, необходимым для бокового ускорения, появляющегося вследствие поворота руля. Управление, с другой стороны, добавляет к этому такие качества автомобиля, которые передаются обратно водителю, влияя на удобство управления транспортным средством или влияя на способность водителя сохранять контроль. Управление подразумевает, следовательно, не только соответствующие параметры автомобиля, но и его вклад, а также поведение системы комбинации водитель/автомобиль. На протяжении всей книги для обсуждения будут использоваться различные термины, наиболее подходящие в данном месте.

Понимание динамики автомобиля может быть достигнуто на двух уровнях: эмпирическом и аналитическом. Эмпирическое понимание приходит из проб и ошибок, с помощью которых человек узнаёт, какие факторы влияют на поведение транспортного средства, каким образом и при каких условиях. Однако, эмпирический метод может часто вести к неудаче. Без механистического понимания того, как изменения в конструкции или параметрах транспортного средства влияют на его поведение, экстраполяция прошлого опыта в новые условия может вовлекать неизвестные факторы, которые могут приводить к новому результату, противоречащему преобладающим эмпирическим правилам. По этой причине (и поскольку он по своей природе методический), инженеры склоняются в пользу аналитического подхода. Аналитический подход пытается описать механику интересующих вещей на основе известных законов физики, так, чтобы могла быть создана аналитическая модель. В простых случаях эти модели могут быть представлены алгебраическими или дифференциальными уравнениями, которые касаются сил или движений, представляющих интерес для устройств управления и транспортного средства или свойств шин. Эти уравнения затем позволяют оценить роль в интересующем явлении каждого параметра транспортного средства. Таким образом, наличие модели обеспечивает средства для выявления важнейших факторов, того, как они работают, и при каких условиях. Модель предоставляет возможность прогнозирования, а также могут быть определены изменения, которые необходимы для достижения желаемого поведения.

Можно отметить, что в данный момент аналитические методы также не являются абсолютно надёжными, поскольку они обычно только приблизительно описывают реальность. Многочисленный опыт показывает, что предположения, которые должны быть сделаны для получения управляемой модели, могут часто оказаться фатальными применительно к анализу, и в таких случаях инженеры оказываются не правы. Поэтому для инженера очень важно понять предположения, которые были сделаны при моделировании любого аспекта динамики, чтобы избежать таких ошибок.

В прошлом, многие недостатки аналитических методов были следствием математических ограничений в решении проблем. До появления компьютеров анализ только тогда считался успешным, если "проблема" могла быть сведена к решению в законченной форме. То есть только если математическим выражением можно было манипулировать в форме, которая позволяла извлечь аналитические отношения между интересующими переменными. Это в значительной степени ограничивало функциональность аналитического подхода к решению задач динамики транспортных средств. Наличие большого числа компонентов, систем, подсистем и нелинейности в транспортных средствах делало всеобъемлющее моделирование практически невозможным, и польза извлекалась лишь из довольно упрощённых моделей соответствующих механических систем. Хотя они и полезны, простые модели часто имеют недостатки, которые ограничивают инженерный подход при разработке транспортного средства.

Сегодня с вычислительной мощностью, доступной в настольных ПК и больших ЭВМ, существенный недостаток аналитического метода был преодолён. Теперь можно собирать модели (уравнения), описывающие поведение отдельных компонентов транспортных средств, которые могут быть интегрированы в комплексные модели всего транспортного средства, позволяя моделировать и оценивать его поведение до его сборки в железе. Такие модели могут рассчитать поведение, которое не могло быть рассчитано в прошлом. В случаях, когда инженер уверен в важности специфических свойств, эти свойства могут быть включены в модель и их значимость оценивается путём оценки их влияния на поведение при моделировании. Это предоставляет инженеру новый мощный инструмент в качестве средства для проверки нашего понимания сложных систем и исследования средств для улучшения поведения. В конце концов мы вынуждены учитывать все переменные, которые могут повлиять на поведение интересующего объекта, а также распознать всё то, что имеет важное значение.