Технические требования, предъявляемые к рулевому управлению и его параметры

Рулевое управление оказывает существенное влияние на управляемость, маневренность, устойчивость и безопасность движения автомобиля. Поэтому, кроме общих требований к конструкции автомобиля, к нему предъявляются специальные требования, в соответствии с которыми рулевое управление должно обеспечивать:

– минимальный радиус поворота для высокой маневренности автомо-биля;

– легкость управления автомобилем;

– пропорциональность между усилием на рулевом колесе и сопротив-лением повороту управляемых колес (силовое следящее действие);

– соответствие между углами поворота рулевого колеса и уп­равляемых колес (кинематическое следящее действие);

– минимальную передачу толчков и ударов на рулевое колесо от до-рожных неровностей;

– предотвращение автоколебаний (самовозбуждающихся) уп­равляемых колес вокруг осей поворота;

– минимальное влияние на стабилизацию управляемых колес;

– травмобезопасность, исключающую травмирование водителя при лю-бых столкновениях автомобиля.

Соответствие конструкции рулевого управления предъявляе­мым требованиям зависит от правильного выбора параметров ру­левого управления, рулевого механизма и рулевого привода.

Рассмотрим оценочные параметры рулевого управления в це­лом, а также оценочные параметры рулевого механизма и рулево­го привода.

Минимальный радиус поворота. Минимальным радиусом поворо­та автомобиля называется расстояние от центра поворота до оси колеи переднего наружного управляемого колеса при максимальном угле поворота колеса. Минимальный радиус поворота регламентиру­ется Правилами № 36 ЕЭК ООН, применяемыми в России.

Минимальный радиус поворота указывается в технической ха­рактеристике автомобиля. От значения этого радиуса во многом зависит маневренность автомобиля. Высокая маневренность авто­мобиля достигается выбором наибольшего угла поворота управ­ляемых колес, при котором минимальный радиус поворота по колее переднего наружного колеса равен 2...2,5 базам автомобиля (меньшие значения для автомобилей с большой базой, а большие – для автомобилей с малой базой).

Минимальный радиус поворота автомобиля определяется экс­периментально при скорости движения автомобиля и при максимальном повороте управляемых колес.

Минимальный радиус поворота автомобиля можно определить по следующей формуле (рис. 2.3):

,

где – колея передних колес;

– максимальный угол поворота управляемых колес;

, – углы увода соответ­ственно передних и задних колес (мостов);

– база автомобиля.

Центр поворота О автомобиля находится внутри его базы на некотором расстоянии С от оси задних колес, которое можно най­ти из ∆ОБВ:

Угловое передаточное число рулевого управления. Угловым переда-точным числом рулевого управления называется отношение утла поворота рулевого колеса к углу поворота управляемых колес :

,

где ;

и – углы поворота соответственно наруж­ного и внутреннего управляемых колес.

Это передаточное число является переменным, зависит от пе­редаточных чисел рулевого механизма и рулевого привода и равно их произ-ведению:

От углового передаточного числа рулевого управления во мно­гом зависят управляемость, маневренность, устойчивость и без­опасность движения автомобиля. Угловое передаточное число час­то называют также переда-точным числом рулевого управления.

Передаточное число рулевого механизма. Передаточным числом ру-левого механизма называется отношение угла поворота рулево­го колеса к углу поворота вала рулевой сошки :

В зависимости от типа и конструкции рулевого механизма его передаточное число при повороте рулевого колеса может изме­няться или оставаться постоянным.

Рулевые механизмы большинства автомобилей имеют посто­янное передаточное число для легковых автомобилей и для грузовых автомобилей.

Рис. 2.3 – Схема поворота автомобиля: О – центр поворота; А, В – центры oсей передних и задних колес; Б – проекция центра поворота на продольную ось автомобиля; v1, v2 – векторы скоростей передних и задних колес

Для легковых автомобилей целесообразно применять рулевые механизмы с переменным передаточным числом. Такие рулевые механизмы при больших скоростях автомобиля обеспечивают вы­сокую безопасность движения, так как небольшие повороты ру­левого колеса не приводят к значительным поворотам управляе­мых колес.

Передаточное число рулевого привода. Передаточным числом рулевого привода называется отношение угла поворота вала руле­вой сошки к углу поворота управляемых колес :

Значение передаточного числа рулевого привода можно опре­делить по отношению плеч поворотного рычага поворотного ку­лака (цапфы) и рулевой сошки:

,

где и – длины соответственно поворотного рычага и сошки.

Передаточное число рулевого привода при повороте рулевого колеса не остается постоянным, а изменяется, так как изменяет­ся положение рычага и сошки. Его значение находится в пределах 0,85...1.10.

Кинематическое передаточное число рулевого управления. Кинема-тическим передаточным числом рулевого управления назы­вается угловое передаточное число, характеризующее жесткую кинематическую связь (при абсолютно жестких элементах рулево­го управления) между углом поворота рулевого колеса и углами поворота управляемых колес:

В упругом рулевом управлении жесткая кинематическая связь нарушается вследствие деформации деталей рулевого механизма и рулевого привода. Причем при одинаковом повороте рулевого колеса по сравнению с жестким рулевым управлением управляе­мые колеса повернутся на меньший угол. В этом случае угловое передаточное число будет больше, чем кинематическое переда­точное число.

Угловое передаточное число, учитывающее упругость рулевого управления, называется динамическим передаточным числом ру­левого управления.

Динамическое передаточное чисто характеризует угловую жест­кость (податливость) рулевого управления. При малой угловой жесткости рулевое управление обладает большой податливостью, что снижает чувствительность управления автомобилем. Но в этом случае толчки и удары, воспринимаемые управляемыми колеса­ми от неровностей дороги, эффективно амортизи-руются руле­вым управлением. Однако малая угловая жесткость рулевого управления может привести к нежелательным колебаниям управляемых колес и снижению устойчивости автомобиля.

На легковых автомобилях угловая жесткость рулевого управления составляет 1,0... 3,5 . Рулевые управления грузовых автомобилей имеют большую, чем у легковых автомобилей, угло­вую жесткость.

Податливость рулевого управления определяют эксперимен­тально при закрепленных управляемых колесах. При этом заме­ряют углы поворота рулевого колеса и соответствующие им мо­менты, прилагаемые к рулевому колесу. Податливость рулевого управления можно оценивать также частотой собственных угло­вых колебаний системы, рассматриваемой в качестве одномассовой:

,

где – угловая жесткость рулевого привода;

– момент инер­ции управляемых колес.

Частота собственных угловых колебаний рулевого управления должна быть не менее 3Гц.

Силовое передаточное число рулевого управления. Силовым пе­редаточным числом рулевого управления называется отношение суммы сил сопротивления повороту управляемых колес к уси­лию на рулевом колесе :

При практических расчетах для определения силового переда­точного числа рулевого управления используют отношение мо­мента сопротивления повороту управляемых колес к моменту на рулевом колесе :

С помощью силового передаточного числа рулевого управле­ния можно оценивать легкость управления автомобилем по уси­лию на рулевом колесе, необходимому для поворота управляемых колес.

Усилие на рулевом колесе для поворота автомобиля зависит от различных факторов – свойств шин, углов установки управляе­мых колес, стабилизации управляемых колес и др.

Усилие на рулевом колесе регламентируется Правилами № 79 ЕЭК ООН, применяемыми в России.

При проектировании максимальное усилие на рулевом колесе не должно превышать 120Н, а минимальное – должно быть не менее 60Н. Ограничение минимального усилия на рулевом колесе необходимо для того, чтобы водитель чувствовал дорогу. При повороте управляемых колес на месте на асфальтобетонной поверх­ности максимальное усилие на рулевом колесе не должно превы­шать 400Н.

На легкость управления автомобилем оказывает влияние и ру­левое колесо. Диаметр рулевого колеса зависит от типа автомоби­ля и составляет 380...425мм для легковых и грузовых автомобилей малой грузоподъемности и 440...550мм для автобусов и других грузовых автомобилей.

Максимальный угол поворота рулевого колеса от среднего по­ложения до крайнего в каждую сторону в зависимости от типа и назначения автомобиля находится в пределах 540...1080°, что соответствует его 1,5...3 оборотам (меньшие значения для легковых автомобилей, а большие – для грузовых).

Силовое передаточное число рулевого привода. Силовым передаточ-ным числом рулевого привода называется отношение мо­мента сопротив-ления повороту управляемых колес к моменту на валу рулевой сошки :

Значение силового передаточного числа рулевого привода за­висит от типа привода и положения его звеньев.

КПД рулевого управления. КПД рулевого управления рассчи­тывается как произведение КПД рулевого механизма и КПД рулевого привода :

КПД рулевого управления оценивает потери на трение в руле­вом механизме и в рулевом приводе. Так, потери на трение в ру­левом механизме составляют почти 50 % от общих потерь на тре­ние в рулевом управлении, а потери на трение в шарнирах руле­вого привода и шкворневых узлах управляемых колес составляют примерно 40...50%.

Различают прямой и обратный КПД рулевого управ­ления. Прямой КПД характеризует передачу усилия от рулевого колеса к управляемым колесам и составляет 0,67...0,82, а обрат­ный характеризует передачу усилия от управляемых колес к руле­вому колесу и составляет 0,58...0,65.

Рулевое управление должно иметь как можно большее значение прямого КПД, так как в этом случае будут меньше потери на трение и легче управление автомобилем.

Значение обратного КПД должно быть больше предела обратимости рулевого управления, но возможно ближе к нему, чтобы сохранить чувство дороги и стабилизацию управляемых колес. При этом возникающий поворачивающий момент при наезде управляемых колес на дорожные неровности (обратный удар) должен передаваться на рулевое колесо в минимальной степени.

Легкость управления автомобилем во многом зависит от КПД рулевого механизма.

КПД рулевого механизма, характеризующий передачу усилия от рулевого колеса к рулевой сошке, называется прямым КПД:

,

где – момент трения рулевого механизма, приведенный к рулевому колесу;

– момент на рулевом колесе.

КПД рулевого механизма при передаче усилия от рулевой сошки к руле-вому колесу называется обратным КПД:

,

где – момент трения рулевого механизма, приведенный к валу рулевой сошки;

– момент на валу рулевой сошки, под­веденный от управляемых колес.

Прямой и обратный КПД зависят от конструкции рулевого механизма и их значения составляют: ; .

Учитывая трение в зацеплении рулевого механизма и пренеб­регая трением в подшипниках и манжетах, можно определить прямой и обратный КПД для червячных и винтовых рулевых ме­ханизмов:

,

где – угол подъема винтовой линии червяка или винта;

– угол трения.

Обратный КПД рулевого механизма характеризует степень его обра-тимости. При небольшом значении обратного КПД вследствие трения в рулевом механизме гасятся толчки и удары, передаваемые на рулевое колесо от неровностей дороги. Однако при низком обратном КПД затрудняется самовозвращение рулевого колеса в исходное положение и, следовательно, ухудшается стабилизация управляемых колес. Так, например, при прямом КПД , обратный КПД , рулевой механизм становится необрати­мым, и стабилизация управляемых колес отсутствует.

КПД рулевого привода учитывает потери на трение во всех шар­нирных соединениях рулевого привода. Значение КПД рулевого привода .

Зазор в рулевом управлении. Указанный зазор должен быть минималь-ным, чтобы предотвратить виляние управляемых колес и ухудшение устойчивости автомобиля.

Зазор в рулевом управлении определяется по углу свободного поворота рулевого колеса при нейтральном положении управляе­мых колес. До-пустимый зазор в рулевом управлении для новых автомобилей не должен превышать 10...15° свободного поворо­та рулевого колеса. Зазор в рулевом управлении складывается из зазоров в рулевом механизме и рулевом приводе. При эксплуата­ции увеличенный зазор в рулевом управлении может возникнуть в результате изнашивания рабочих поверхностей деталей рулевого управления и увеличения зазоров в подшипниках управляемых колес, шкворнях, шаровых шарнирах подвески, шарнирах руле­вого привода, зацеплении рулевого механизма, а также при недо­статочной затяжке креплений рулевой сошки, картера рулевого механизма и рулевого вала.

Наибольшее изнашивание рабочих поверхностей деталей руле­вого управления происходит при прямолинейном движении авто­мобиля, когда управляемые колеса находятся в нейтральном по­ложении. Поэтому при нейтральном положении управляемых ко­лес зазор в зацеплении рулевого механизма должен быть мини­мальным (близким к нулю).

При увеличении угла поворота рулевого колеса от нейтрально­го положения к крайним положениям зазор в зацеплении рулево­го механизма должен постепенно увеличиваться (рис. 2.4) и в конце составить 25...35° свободного поворота рулевого колеса. Это необходимо для предотвращения заклинивания (заедания) руле­вого механизма после регулировки зацепления при изнашивании, которое обычно происходит в зоне, соответствующей небольшим углам поворота рулевого колеса.

Необходимая величина зазора в зацеплении рулевого механиз­ма и характер его изменения обеспечиваются конструктивными методами (особенностями рулевого механизма) или технологией (например, сдвигом режущего инструмента при нарезке деталей зацепления механизма).

Рис. 2.4 – Схема изменения зазора в руле­вом механизме: α_рк – угол поворота рулевого колеса; ∆S – зазор

Толчки и удары на рулевом колесе.Причиной потери автомобилем управляемости могут быть резкие толчки и удары, передаваемые на рулевое колесо от дорожных неровностей.

Рис. 2.5 – Схема поперечного наклона оси поворота управляемого колеса: a₀ – плечо обкатки, β_ш – угол наклона

Для обеспечения минимальной передачи толчков и ударов на рулевое колесо в конструкциях рулевых управлений выполняют следующее:

– увеличивают передаточное число рулевого механизма в нейтральном положении управляемых колес автомобиля;

– уменьшают плечо обкатки, увеличивают податливость рулевого уп-равления до оптимального значе­ния, обеспечивающего быстрое и свое-временное реагирование управляемых колес на повороты рулевого колеса;

– применяют амортизирующие устройства в рулевом механизме или в рулевом приводе;

– применяют гидравлические усилители в рулевом управлении, вос-принимающие и поглощающие толчки и удары, которые пе­редаются от управляемых колес.