про управление креном

[jayrandom]

Похоже, практически никто из моих знакомых, которым я рассказывал про чудо-самокат, не прочувствовал всей глубины идеи. Кроме коллеги, интересующегося экстремальным вождением :)

Мы все знаем, что на повороте любое тело испытывает поперечное ускорение. Если скорость существенна, транспортное средство при этом пытается наклониться, а непривязанных пассажиров прижимает к внешней стенке. От этого есть два лекарства: (1) сбрасывать скорость на повороте и (2) наклонить транспортное средство и/или пассажиров так, чтобы вес оставался в центре поворота.

Примеры из природы показывают, что естественным способом является второй. Ни птицы ни рыбы на повороте не тормозят, а просто правильно поворачивают всем телом. Так же, наклоняясь и сдвигая свой вес в центр, поворачивают мотоциклисты, велосипедисты, лыжники, разнообразные сёрферы/бордеры, пара- и дельтапланеристы.

В мире высоких скоростей без крена в повороте просто нельзя. Самолёты поворачивают креном (вертикальный руль на хвосте - просто для коррекции положения хвоста). Скоростные поезда наклоняются в повороте.

И только в автопромышленности наблюдается удивительный разрыв понимания этого закона. При двигателях в сотни лошадиных сил в качестве шасси используется гужевая телега из современных материалов с одной разрезанной поворотной осью (и чтобы дополнительно радовать водителей прелестями задней параллельной парковки, эта поворотная ось - передняя). Чтобы совсем не убиться на таких телегах на высоких скоростях, в качестве компенсации специалистам смежной области приходится наклонять дорогу. Казалось бы, дорогу нужно наклонять тем больше, чем выше текущая скорость транспортного средства, грозящегося с неё слететь. Не слишком ли сложно? Возможно, должна пройти целая эра "умных дорог", распознающих скорость проходящих машин и наклоняющихся соответственно, прежде чем автомобили начнут поворачивать креном.

К чему это всё? К тому, что классический руль, который поворачивает только колесо, полезен исключительно при пешеходных скоростях (достаточно вспомнить, на какой скорости мотоцикл или даже велосипед "даст" повернуть свой руль). Как показывает выдержавшая испытание временем конструкция скейтборда, естественный поворот должен осуществляться наклоном платформы. Если при этом нужен руль (т.н. кикборд), этот руль - просто жёстко закреплённый на платформе рычаг, помогающий держать равновесие. Вот почему я был рад аналогу кикборда для снега. Гармония и симметрия во всём :)

Comments

[rapitosov.livejournal.com]

то есть поезд наклоняется относительно шасси, я правильно понял?

если да, то совершенно не понятно, почему этот концепт ещё не применили к автомобилям.

[azgar.livejournal.com]

Наклон корпуса у наземных транспортных средств не даёт ничего кроме комфорта пассажиров.
Ограничивающим фактором в случае автомобиля является сцепление колёс с дорогой. Которое от наклона корпуса только ухудшается.
Наверное, можно замутить какую-нибдуь сверххитрую подвеску, которая будет и пассажиров наклонять (каждый ряд отдельно, иначе поднимется центр тяжести и, соответственно, больше разгрузятся внутренние колёса -> фейл) но автоконструкторы резонно решили, что лучше пожертвовать немножко комфортом, чем ценой, надёжностью и безопасностью.
Рельсы, кстати, наклоняют.

[jayrandom.livejournal.com]

Рельсы наклоняли только в некоторых странах, и потом отказались от этой затеи, поскольку наклон должен зависеть от скорости. Неправильно привязывать к участку [железной] дороги обязательство проходить этот участок на определённой скорости.

[azgar.livejournal.com]

Терзают меня смутные сомнения в части "отказались".
Не наклон зависит от скорости, а скорость зависит от наклона и радиуса поворота. Точнее диапазон скоростей. И на сколько я знаю, диапазон этот на зелезной дороге начинается от нуля.
За все дороги, конечно, не скажу, но из общих соображений должен.
Недалеко от моего жилища, кстати, есть ЖД остановка на повороте. С заметным наклоном.
И при этом, да, на некоторых поездах и фюзеляж наклоняют дополнительно, чтобы полностью компенсировать наклон вектора веса.

[jayrandom.livejournal.com]

> Не наклон зависит от скорости, а скорость зависит от наклона и радиуса поворота. Точнее диапазон скоростей.

Если я правильно понимаю, о чём ты, то речь идёт о решении номер (1). Да, так в основном сейчас делают. Но это потому что не учитывают геометрии. Это мера, вынужденная состоянием доступной техники. Если поезд/автомобиль такой, каким ты его знаешь, то НАДО тормозить перед поворотом. А нужно, чтобы не надо было :)

[azgar.livejournal.com]

Что значит не учитывают геометрии? Какой геометрией тут можно исправить положение?
Надо или не надо тормозить перед поворотом зависит от его радиуса. У нас есть граничные условия: ускорение ограничено коэффициентом сцепления с дорогой один и отношением высоты центра тяжести к ширине колеи и базе автомобиля.
Над коэффициентом сцепления у нас особенного контроля нет. Можно, конечно, на поворотах выдвигать дополнительные колёса из более мягкой резины. И заодно отодвигать их подальше в направлении центробежной силы. Но согласись, что возить ссобой дополнительные колёса для поворотов и ноги для их выдвижения на современном этапе не представляется разумным. Кроме того, ширина дороги ограничена, далеко их, колёса, всё равно не выдвинешь. Да и сильно бОльшего сцепления не получишь.
И да, прямоугольник самая выгодная конфигурация. Можно ещё двигать кузов по горизонтали. Вовнутрь сдвигать. Но опять же, море технического гемороя и ограниченная ширина дороги.

[jayrandom.livejournal.com]

> прямоугольник самая выгодная конфигурация.

Прямоугольник - привычная конфигурация. Но одна плохо себя ведёт на повороте.

Есть решение, причём готовое. И все его знают. Просто клин в головах.

[azgar.livejournal.com]

какая конфигурация ведёт себя в повороте лучше прямоугольника?
из реально реализуемых и из теоретически возможных?

[jayrandom.livejournal.com]

я уже сказал, что ты сам знаешь решение.

"Номер своей галактики в Тентуре думай" (ц)

[azgar.livejournal.com]

Ты пальцем покажи, потому что у меня решения через фильтр пропускаются, я боюсь, тот номер, который ты думаешь, у меня отфильтруется.
Едиственное не совсем безумное решение, которое мне приходит в голову это бобслей. Но у бобслея есть свои очень существенные недостатки.

[jayrandom.livejournal.com]

Вспомни шасси скейтборда или квад-роликовых коньков. Для поворота ты наклоняешь платформу, оси разворачиваются так, что внутри поворота колёса сходятся, а вовне поворота колёса расходятся. Прямоугольник динамически превращается в трапецию, которая сохраняет полный контакт с поверхностью. Поворот никак не влияет на сцепление с поверхностью (правда, там ещё форма колёс под это заточена).

[azgar.livejournal.com]

И почему это лучше чем теперешнее решение?
Порисовал, посмотрел, да если у тебя масса верхней части >> массы нижней части, расстояние от оси наклона до земли << расстояния от оси наклона до ЦТ, можно удержать проекцию ЦТ в пределах площади опоры при любом боковом ускорении. Если конструкция, конечно, позволит наклониться на нужный угол. А он не так велик, учитывая, что боковое ускорение ограничено ещё и коэффициентом трения колёс о дорогу.
Кроме того, если ты наклонил корпус и повернул колёса (что не обязательно должно зависеть одно от другого) и у тебя ВНЕЗАПНО!!1 существенно изменился коэффициент трения... скейтбордист может попытаться спрыгнуть с доски, что будет с автомобилем, оставляем читателю рассмотреть самостоятельно.
Кроме того, при вождении в реальных условиях крутизна поворота (она же скорость прохождения оного) ограничивается не столько устойчивостью транспортного средства, сколько потерей сцепления с дорогой. Да, некоторые автомобили можно на сухой дороге и хороших покрышках опрокинуть на повороте (я слышал, была/есть такая проблема у мерседесов А класса). Но в у большинства легковых автомобилей именно занос ограничивает возможность повернуть. В сложных дорожных условиях (когда скользко) оно и для высоких машин так.
Итого: почему не делают легковых и грузовых самоходных скейтбордов:
* схема решает проблему устойчивости в условиях стационарного поворота.
* схема не решает проблему заноса
* в реальных условиях устойчивость является ограничивающим фактором бокового ускорения для части грузовых автомобилей и автобусов.
* существенное снижение коэффициента трения при установившемся повороте скейтборда приведёт к опрокидыванию и заносу. тогда как у автомобиля только к заносу. который далеко не всегда фатален.
* введение механизма наклона усложняет конструкцию, требует повышения центра тяжести машины. высокая машина (а для них только система актуальна) с наклоном корпуса требует более широкой дороги.

[azgar.livejournal.com]

Кстати, я тебя чуть-чуть обманул на счёт не наклоняния.
На самом деле, были автомобили с гидропневматической подвеской и системой активной стабилизации.
Ситроёны ДС, Ксантия, кажется какие-то Мерседесы.
Но там, на сколько мне известно, ограничились сохранением горизонтального положения кузова в поворотах и при торможении и разгоне. По каким причнам точно не знаю, но свои соображения я тебе уже изложил.

[jayrandom.livejournal.com]

> Наклон корпуса у наземных транспортных средств не даёт ничего кроме комфорта пассажиров.

Стабильность он должен давать в первую очередь. Если ты на плоской дороге в плоском автомобиле на очень высокой скорости будешь устраивать поворот, то именно что потеряешь хорошее сцепление с дорогой, и машина с неё просто слетит по касательной. Наклонять пассажиров отдельно нет смысла, хотя пассажиры и порадуются. Нужно думать о том, как наклонять (а в случае особо крутого поворота и изгибать) весь корпус, чтобы он был in line с дорогой.

[azgar.livejournal.com]

Ещё раз тебе скажу. Наклон корпуса даёт только комфорт пассажиров.

На повороте у автомобиля могут случиться две беды: потеря сцепления с дорогой и опрокидывание.
Сцепление с дорогой зависит только от силы, прижимающей колёса к дороге (*) А эта сила не зависит от наклона кузова. В разумных пределах наклона :)
Опрокидывание происходит когда проекция центра тяжести вдоль суммарного вектора веса выходит за пределы зоны опоры, прямоугольника в случае автомобиля. И чем выше центр тяжести тем при меньшем боковом ускорении это произойдёт. И если наклонять кузов, центр тяжести будет подниматься.

* прочие условия: конструкцию и материал колеса, состояние дорожного покрытия, параллельность оси колеса дороге, скорость, радиус поворота и ускорение вдоль вектора скорости примем одинаковыми.

[jayrandom.livejournal.com]

Ну вот и подумай, как получилось, что опора шасси - прямоугольник, почему это невыгодно, и какие есть альтернативы :)

[golger-i.livejournal.com]

Все накинулись на машины, но никто не заметил косяк про рыб :)

[azgar.livejournal.com]

Так же как и то, что наклон при повороте велосипедиста и наклон при повороте птицы/самолёта имеют принципиально разные причины

[jayrandom.livejournal.com]

У них общая цель: чтобы не тормозить при повороте.

[azgar.livejournal.com]

Ты не прав.
У летательных аппаратов цель наклона -- совершить поворот. Тормозить тут ни при чём.
Им нужно или иметь специальные крылья для поворота, которые будут создавать дополнительную боковую силу, либо перенаправлять часть подъёмной силы основных крыльев вбок. Угадай, какой из способов они выбрали :)

[jayrandom.livejournal.com]

я имел в виду камбалу и ската :)

[azgar.livejournal.com]

Они вообще с проблемой рядом не лежали. Во прервых, они очень медленные рыбы, во вторых, у них наклон в поворотах если вообще есть, то по "птичьим" причинам.

[jayrandom.livejournal.com]

Дык, к "птичьим" причинам я здесь всё и свожу. Нет других причин. Хочешь отклониться от прямого курса - наклонись.

[azgar.livejournal.com]

Зачем?
Наклон сам по себе ни к чему не приводит. Ты когда пешком идёшь, хоть унаклоняся, пока правая нога длиннее левой шагать не начнёт, не повернёшь.
Птица отталкивается от воздуха. Вокруг неё среда гомогенная. Наклонился, вектор подъёмной силы вместе с тобой наклонился, возникла боковая составляющая.
Наземные транспортные средства двигаются по плоскости. Там направление движения не связано с наклонами корпуса. Можно машину на два колеса поставить. Будет ехать прямо на двух колёсах, пока не свалится.

[jayrandom.livejournal.com]

См. выше про скейт-траки. Наклон изменяет форму опоры, изменение формы опоры изменяет траекторию.

[azgar.livejournal.com]

Траектория не зависит от формы опоры.
Можно на ходу перемещать колёсики у тележки как угодно, пока ЦТ находится над площадью поверхности опоры.
И трапеция хуже прямоугольника, потому что колея уменьшается. Чем меньше колея, тем меньше поперечная устойчивость.

[golger-i.livejournal.com]

Когда-то очень давно у меня в жж возникла дискуссия о преимуществах мотоциклетного поворота креном, и машинного. Я тогда еще был заядлым мотоциклистом, и голосовал за мотоцикл. Но потом мы честно посчитали, и оказалось, что машина с достаточно низким центром тяжести выигрывает. Я в глубине души не мог поверить формулам, в результате мы проштудировали данные с двух треков, по которым гоняют и машины, и мотоциклы. Данные подтвердили теорию - плоская машина может при той же крутизне поворота развить бОльшую скорость.
Интуиция утверждает обратное. Для обуздания интуиции предлагаю мысленный эксперимент: едем на велосипеде, поворот на большой скорости и большой крутизны. На какой дороге можно вписаться в поворот на бОльшей скорости, на плоской или на наклонной?

[jayrandom.livejournal.com]

я голосую за наклонную дорогу (если она наклонена в правильную сторону, конечно :)

[golger-i.livejournal.com]

А это значит, что поворот креном тоже не идеален, раз наклон дороги ему помогает. И неидеален он именно в том смысле, в котором неидеален поворот плоской машины БЕЗ ПАССАЖИРА - крен никак не помогает силе трения между покрышками и дорогой. А наклон дороги - помогает.

[jayrandom.livejournal.com]

Да.

Наклон дороги помогает, но беда с ним в том, что он фиксирован. Т.е. для каждой скорости есть свой оптимальный наклон. И если скорости для данного наклона недобрать, то машина просто съедет вбок, не удержится на наклоне.

Кажется более разумным "таскать наклон за собой" (каждый наклоняется / наклоняет дорогу, сколько ему нужно). Вдруг у Вас есть мысли, как это сделать?