Что такое передаточное число рулевого механизма
Устройство автомобилей
Рулевые механизмы автомобиля
Назначение и типы рулевых механизмов
Рулевой механизм – часть рулевого управления, облегчающая управление автомобилем, благодаря применению редуктора с высоким передаточным числом. Редуктор позволяет значительно уменьшить усилие, необходимое для вращения рулевого колеса, что особенно актуально при управлении автомобилями, имеющими значительную массу и диаметр управляемых колес.
Однако, в соответствии с Золотым правилом механики, при этом выигрыш в силе оборачивается проигрышем в расстоянии, и чтобы повернуть управляемые колеса автомобиля на некоторый угол, необходимо повернуть рулевое колесо на угол, равный произведению угла поворота колес на передаточное число редуктора.
Если учесть, что передаточное число редукторов рулевого механизма современных автомобилей может достигать значения u = 20 и даже более, то, например, чтобы повернуть управляемые колеса на угол 20˚, рулевое колесо должно совершить полный оборот. По этой причине повышение передаточного числа редуктора рулевого механизма для снижения усилия на рулевом колесе нельзя увеличивать без предела – увеличивается время выполнения маневра или поворота.
Передаточные числа рулевых механизмов современных легковых автомобилей обычно находятся в пределах 16…20, грузовых автомобилей – 20…25. Так, например, у рулевого механизма автомобиля ВАЗ-2105 передаточное число u = 16,4, у автомобиля ГАЗ-66-11 – 21,3, у автомобиля КамАЗ-5320 – 20, у автобуса ЛиАЗ-5256 – 23,6.
При управлении автомобилем выгоднее использовать рулевой механизм с изменяемым передаточным числом, поскольку максимальное усилие на рулевом колесе требуется при маневрировании на малых скоростях движения и особенно – при повороте колес неподвижного автомобиля. При высокой скорости движения для поворотов требуется значительно меньшее усилие.
При работе рулевого управления детали, составляющие рулевой механизм подвергаются износу, что приводит к появлению зазоров, негативно сказывающихся управляемости автомобиля и на безопасности движения. По этой причине необходимо использовать для изготовления ответственных деталей механизма износостойкие материалы, а также предусматривать возможность проведения регулировок зазоров либо их устранение в автоматическом следящем режиме с помощью различных устройств и трансформируемых элементов конструкции.
Еще одно условие, которое необходимо учитывать в конструкции рулевого управления – обратная связь между управляемыми колесами и рулевым колесом. Удары и толчки со стороны дороги (особенно боковые) не должны ощутимо передаваться рулевому колесу, и уж тем более – не изменять его положение, поскольку это может вызвать непроизвольное изменение направления движения автомобиля.
Требования к рулевым механизмам автомобиля
Исходя из всего, перечисленного выше, к конструкциям рулевых механизмов предъявляются следующие основные требования:
В комбинированном рулевом механизме передача осуществляется обычно через две передающие пары: винт, гайка-рейка и сектор; винт, гайка и кривошип; винт, гайка и рычаг. На некоторых моделях автомобилей применяются рулевой механизм с комбинированной винтовой передачей, в которую для уменьшения сил трения вводят непрерывную цепь циркулирующих стальных шариков.
В винтовом рулевом механизме «винт-гайка-рейка-сектор» вращение винта преобразуется в прямолинейное движение гайки, на которой нарезана рейка, находящаяся в зацеплении с зубчатым сектором. Сектор установлен на общем валу с сошкой. Для уменьшения трения в рулевом механизме и повышения износостойкости соединение винта и гайки часто осуществляют через шарики. Передаточное число рулевого механизма обычно определяется из соотношения углов поворота рулевого колеса и вала сошки.
К шестеренным рулевым механизмам относятся механизмы с цилиндрическими или коническими шестернями, а также реечные рулевые механизмы. В реечных рулевых механизмах передаточная пара выполнена в виде ведущей шестерни и зубчатой рейки, при этом зубчатую рейку можно считать зубчатым колесом с бесконечно большим радиусом. Вращение шестерни, закрепленной на рулевом валу, вызывает линейное перемещение рейки, которая является частью составной поперечной тяги рулевого управления.
Конструктивные особенности рулевых механизмов, применяемых на автомобилях разных марок можно ознакомиться на отдельных страницах сайта:
Трансмиссия в рулевом управлении
Получившая название Active Front Steering (сокращенно АFS) система активного рулевого управления от BMW представляет собой обычный реечный механизм с гидроусилителем Servotronic, где рулевой вал разъединен, и в него встроена планетарная передача, корпус которой может вращаться с помощью электродвигателя.
Система Active Front Steering
При проектировании автомобиля конструкторы постоянно сталкиваются с проблемой выбора передаточного числа рулевого механизма, которое невозможно подобрать так, чтобы оно идеально подходило «на все случаи жизни». Так, если сделать передаточное число «поменьше», то при движении на невысоких скоростях руль будет весьма приятным – «отзывчивым» и «острым», не требующим нескольких перехватов. Однако стоит на такой машине дать газу – и езда потребует постоянного напряжения и станет довольно опасной, ведь даже при небольшом движении рулем автомобиль будет сильно швырять в сторону. Соответственно и наоборот: делаем передачу в рейке «побольше» – и получаем уверенные «крейсерские» реакции на высоких скоростях, но «тупой» и «многооборотистый» руль на низких.
Сию дилемму конструкторы всегда решали методом компромисса: проектируя пару «шестерня – рейка», выбирали передаточное число «по-среднему», подогнав его под диапазон основных эксплуатационных скоростей данного автомобиля. Но что поделаешь – таковы законы механики, и оставалось только смириться. Однако если существуют идеалы, то к ним непременно надо стремиться. Тем более что решение таких устройств, изменяющих, в зависимости от скорости движения, угол поворота колес относительно вращения руля, на теоретическом уровне напрашивалось уже как будто само по себе: почему бы не «разрезать» вал рулевой колонки, установив туда специальную трансмиссию, позволяющую менять передаточное число?
Подобные проекты зазвучали во всеуслышание где-то в конце 70-х – начале 80-х годов, когда в технических изданиях стали появляться статьи молодых инженеров, которые печатались в тех же разделах, где стояли публикации на тему «пневмоциклов», «реактивных ранцев» и т. п. Скоро патентные бюро начали выдавать свидельства, среди которых оказался и патент Дина Карноппа, профессора Калифорнийского университета в Дэвисе (США), занимающегося разного рода «транспортом будущего» и продвигающего созданную им науку «мехатронику» – смесь механики и электроники. Такие занятия, может, и выглядят чудаковато, однако изобретенное профессором «мехатронное» рулевое заинтересовало серьезных людей – в 1990 году патент у Карноппа купила фирма Bosch. Систему нашли перспективной в компании BMW, и в 1997 году мюнхенские инженеры взяли рулевое Карноппа на подготовку к серийному выпуску.
Многоликий АFS
Получившая название Active Front Steering (сокращенно АFS) система активного рулевого управления от BMW представляет собой обычный реечный механизм с гидроусилителем Servotronic, где рулевой вал разъединен, и в него встроена планетарная передача, корпус которой может вращаться с помощью электродвигателя. Когда последний не работает, сателлиты соединяют вал и шестерню рулевого напрямую, если же электромотор вращается, то он через «червяк» поворачивает эпициклическую шестерню и в зависимости от направления вращения увеличивает или уменьшает число оборотов на выходном валу.
Такая конструкция позволяет менять передаточные числа в весьма широком диапазоне, как, например, от 1:10 до 1:20 для BMW 5-series при «стандартных» 1:18 и от 1:8 до 1:15 для таких машин, как BMW М3. Больше нет противоречий, и руль автомобилей с АFS оказывается «идеальным» всегда: быстрым и резким на низкоскоростных маневрах и спокойно-уверенным на предельных скоростях!
Выбор «передачи» происходит, разумеется, бесступенчато и автоматически – системой управляет компьютер Power PC, «завязанный» на систему стабилизации DSC. Такое подключение дает возможность использовать рулевое АFS не только как «трансмиссию», но и как систему автоматического управления автомобилем в различных сложных ситуациях – при отработке заносов, сносе передних колес и т. д. По команде компьютера планетарный механизм с электродвигателем может без вмешательства водителя самостоятельно поворачивать колеса на 7 – 8 градусов в нужную сторону и в нужный момент, каковые электроника, в отличие от человека, способна всегда определить безошибочно. И уж само собой, множество новых возможностей получает «электронный тюнинг» – компьютер активного рулевого АFS позволяет заложить в него любую программу, настроив реакции руля индивидуально, по желанию владельца.
Надежность системы поддерживается, прежде всего, самой ее конструкцией – достаточно простой и состоящей из давно уже технически обкатанных узлов и элементов. Впрочем, «на всякий случай» в компьютере установлен второй, дублирующий, процессор, а для «железа» разработан аварийный фиксатор, который при отказе системы блокирует механизм изменения передаточного отношения.
Кстати, справедливости ради надо сказать, что системами, подобными АFS, занимается не только BMW – практически все ведущие автопроизводители сегодня уделяют внимание «активным» рулевым. Однако на настоящий момент Active Front Steering оказывается, пожалуй, впереди всех остальных, будучи самой «готовой» из прогрессивных и самой совершенной среди «готовых».
Смена привычки
Ожидается, что система Active Front Steering впервые появится на машинах BMW 5 Series и 1 Series – будущих автомобилях «гольф»-класса от баварской компании, выпуск которых запланирован на 2004 год. Следом за ними активное рулевое управление получат уже все последующие автомобили BMW в штатной комплектации. Производить систему будут на заводах фирмы ZF, стоимость же активного руля, как предполагается, составит около 1.5 тысячи евро – по крайней мере на автомобилях первых выпусков.
И вполне возможно, что следом за BMW рулевое АFS появится и на машинах других компаний – есть сведения, что к изобретению профессора Карноппа уже прицениваются автопроизводители. Правда, по условиям соглашения с BMW, владелец патента Bosch не имеет права продавать узлы системы другим фирмам в течение двух лет. Поэтому первыми здесь окажутся именно баварские автопроизводители.
В любом случае, будут прочие компании ставить на свои автомобили именно систему АFS или нет, весь мир уже ухватил идею активного рулевого, ясно разглядев реальность подобных устройств, и теперь от внедрения прогрессивного новшества никто не откажется. И в ближайшие 5 – 7 лет мы увидим утверждение нового стандарта рулевых, который заставит всех в корне пересмотреть свои привычные представления об управляемости автомобиля.
8.2. Передаточное число рулевого управления
Общее кинематическое передаточное число рулевого управления определяется как отношение
,
– угол поворота управляемых колес;
– угол поворота рулевого колеса.
Для легковых автомобилей полный угол поворота рулевого колеса составляет Q = 1080. 1260° (3. 3,5 оборота), а полный угол поворота управляемых колес a = 65. 70. Передаточное число рулевого привода uРП = 1. Для грузовых автомобилей при повороте управляемых колес на a = 40° (±20° от нейтрального положения) угол поворота рулевого колеса не должен превышать Q £ 1260°, без учета угла свободного поворота рулевого колеса. Передаточное число рулевого привода uРП £ 1,3. 1,5.
Передаточное число рулевого управления определяется и как произведение передаточного числа рулевого привода uРП и передаточного числа рулевого механизма, uРМ.
Из этого выражения передаточное число рулевого механизма определяется
.
Для сравнительного анализа следует отметить, что передаточное число рулевых механизмов легковых автомобилей укладывается в пределах uРМ = 16. 20, а грузовых – uРМ = 20. 24.
При выполнении кинематического расчета рулевого управления выполняется разработка* кинематики совместной работы рулевых тяг и направляющего устройства подвески, задача которой состоит в том, чтобы найти такие размеры и расположение в пространстве рычагов шарниров и тяг рулевого управления, при которых не будет происходить угловых перемещений управляемых колес при деформации упругих элементов подвески.
9. СИЛОВОЙ РАСЧЕТ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ
Задачей силового расчета является определение максимальных сил, действующих на рулевое управление. В силовом расчете определяются: усилие на рулевом колесе, необходимое для поворота управляемых колес (сила, действующая на рулевое управление от рулевого колеса); на управляемых колесах при торможении; на отдельных деталях рулевого управления, а также усилие, развиваемое цилиндром усилителя (сила, действующая на рулевое управление от усилителя).
9.1.Усилие на рулевом колесе
Наибольшего значения усилие на рулевом колесе Fр достигает при повороте автомобиля, стоящего на сухом асфальтобетонном покрытии. В движении это усилие снижается почти в два раза:
,
– момент сопротивления повороту управляемых колес на месте (момент на цапфах), Н×м;
– радиус рулевого колеса, м;
– прямой КПД рулевого управления (
).
Размеры рулевого колеса нормированы и имеют следующие значения (табл. 4).
Момент сопротивления повороту управляемых колес определяется как
– момент сопротивления перекатыванию управляемых колес при их повороте вокруг шкворней (момент сопротивления качению колес);
– момент сопротивления скольжению, возникающий при повороте колеса на месте;
– моменты, обусловленные поперечными и продольными наклонами шкворней.
Для расчетов МСП можно воспользоваться полуэмпирической формулой, дающей достаточно близкие значения к опытным:
,
– давление воздуха в шине, Па;
– коэффициент сцепления (j = 0,7. 0,9);
– осевая нагрузка, воспринимаемая управляемыми колесами, Н.
Размеры рулевого колеса
Диаметр рулевого колеса, мм
Легковые особо малого класса
Легковые, микроавтобусы, грузовые малой грузоподъемности
Грузовые средней грузоподъемности и автобусы средней вместимости
Грузовые и тягачи большой грузоподъёмности, многоместные автобусы и троллейбусы
Полученное значение Fр сопоставляется с допустимым [Fр] = 250 Н на рулевом колесе. Если Fр > [Fр], необходима установка усилителя.
9.2. Усилие, развиваемое цилиндром усилителя
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Рулевое управление с переменным передаточным числом
Фиксированное соотношение передаточного числа рулевого управления – это всегда компромисс. Компромисс между маневренностью и комфортом вождения. Болиды Формулы-1 сделать так, чтобы от упора до упора руль “гражданского” автомобиля совершал не более одного оборота. Тогда можно будет легко парковаться, а любые виражи проходить без перехвата руля. Но одновременно с этим машиной станет и чрезвычайно сложно управлять на большой скорости – на малейшие подруливания автомобиль будет отзываться мгновенным уводом в сторону, не подготовленный водитель к такому еще не готов, да оно и не нужно в повседневной жизни!
Такая резкость, конечно, хороша для гонщика, «отлавливающего» на высоких скоростях свой болид, но для обычного водителя она будет чрезвычайно утомительной. Поэтому инженеры делают руль менее острым, то есть увеличивают его передаточное отношение, жертвуя удобством на меньших скоростях ради спокойствия на высоких.
Таким образом, колеса современного автомобиля поворачиваются в крайнее положение за два-три оборота руля, что, как показывает практика, в большинстве случаев является оптимальной настройкой. Правда, лишь до пор пока водитель не захочет поехать быстрее или на дороге не возникнет внештатная ситуация – в этот момент лишние обороты напоминают о себе, и вращать руль приходится очень быстро, что для неподготовленного человека становится неприятным сюрпризом. Это и вынуждает, производителей мощных динамичных автомобилей обращаться к идее переменного передаточного отношения.
Самое простое воплощение этой идеи – рулевая рейка с переменным шагом зубцов ( в основном у хонды). В центре они расположены плотно, обеспечивая повышенное передаточное отношение рулевого механизма, т.е. спокойные реакции автомобиля на малые отклонения руля. Но по мере удаления от центра зубцы постепенно становятся шире, передаточное отношение уменьшается, а руль, соответственно, делается тяжелее и острее. Все логично и эффективно: чем больше угол поворота рулевого колеса, тем резче реакции.
Однако некоторые разработчики пошли дальше и создали активное рулевое управление, в котором передаточное отношение изменяется по команде электроники, принимающей во внимание не только угол поворота руля, но и скорость движения автомобиля и даже действующие на него перегрузки!
Пионером в этой области является BMW с его системой активного рулевого управления Active Front Steering, появившейся вместе с нынешней пятой серией. Суть предложенного механизма в редукторе, вставленном в разрез рулевого вала и служащим для увеличения или уменьшения скорости его вращения.
Конструкция
Редуктор изменения передаточного отношения состоит из следующих узлов:
Планетарный механизм
Червячный редуктор
Сервопривод
Стопор серводвигателя
Стопор серводвигателя предусмотрен в целях безопасности, в случае неисправности он блокирует червячную передачу.
Принцип действия
Главным элементом активного рулевого управления является редуктор изменения передаточного отношения без люфта. Редуктор изменения передаточного отношения представляет собой планетарный механизм с 2 входами и одним выходом. Первым входом является нижний вал рулевого управления. Второй вход образует червячный редуктор на планетарном механизме.
Серводвигатель приводит в действие (активизирует через ЭБУ AL) червячную передачу планетарного механизма. Передаточное отношение от червяка к червячному колесу составляет 20,5:1. На случай неисправности предусмотрена функция самоторможения червячного редуктора.Червячный редуктор вносит изменение в поворот управляемых колес по сравнению с прямым приводом от вала рулевого управления. Создаваемый на шестерне рулевого механизма суммарный угол состоит из:
угла, на который повернуто рулевое колесо
угла, который получается с помощью серводвигателя на редукторе изменения передаточного отношения
Изменение задаваемого водителем угла поворота зависит от параметров динамики движения, особенно от скорости. При низких скоростях (например, во время парковки) активное рулевое управление значительно изменяет поворот управляемых колес по сравнению с прямым приводом от вала рулевого управления. Рулевое управление становится очень острым.
На высоких скоростях серводвигатель работает в противоположном направлении относительно угла поворота рулевого колеса, задаваемого водителем. Общее передаточное отношение рулевого управления становится менее острым.
Стопор серводвигателя производит его блокировку: в случае неисправности при стоящем автомобиле. При этом стопор входит в зубчатое зацепление на червячном редукторе. В исходном положении он находится под воздействием пружины и при подаче питания удерживается против усилия пружины. Прекращение подачи питания приводит, таким образом, к блокировке. Благодаря блокировке редуктора изменения передаточного отношения возможно продолжение управления водителем. Рулевое управление работает при этом как обычное рулевое управление. Чисто механическая связь между рулевым колесом и передними колесами всегда сохраняется.
Условия включения активного рулевого управления:
— зажигание включено
— двигатель работает
После запуска двигателя синхронизируются положение рулевого колеса и поворот колес.Тем самым обеспечивается совпадение положения рулевого колеса и поворота колес после вращения рулевого колеса, например, на стоящем автомобиле при выключенном зажигании.
Примечание:
Вращение рулевого колеса или движения колес при синхронизации! Вращение рулевого колеса или движение колес при синхронизации могут быть заметными.Во время движения выполняется только очень медленная синхронизация.
Альтернативное решение нашла Toyota, оснастившая системой VGRS (Variable Gear Ratio Steering) дорогие автомобили Lexus. Для изменения передаточного отношения вместо планетарной передачи они использовали волновую, изобретенную еще в 1955 году американским инженером Уолтоном Массером. Идея её хитроумна и в то же время проста: в одну шестеренку с внутренними зубцами вставлено другая – гибкая с немного меньшим диаметром и числом внешних зубцов. А внутри всей этой конструкции помещён овальный кулачок, который деформирует гибкую шестерню, обеспечивая её прижим к внешнему кольцу в двух, диаметрально противоположным местах. Соответственно, вращение этого кулачка (он еще называется генератором волн) вызывать смещение точек контакта шестерен, а вместе с этим и их медленный проворот относительно друг друга. Остается только присоединить входной и выходной вал к шестерням, обеспечить электропривод кулачка – и механизм динамического изменения передаточного отношения готов.
У такой конструкции по сравнению с планетарным редуктором есть несколько преимуществ. Во-первых, благодаря малой разнице диаметра шестерен, в зацеплении одновременно участвует множество зубцов, что позволяет волновой передаче передавать крутящий момент в несколько раз больший, чем планетарной с теми же габаритами и массой. На практике это позволило японцам сделать VGRS в пять раз компактнее, чем AFS от BMW! А во-вторых, волновая передача надежна: если отказывает электромотор, то шестерни, а соответственно и валы, остаются жестко связанными, в то время, как у планетарной передачи под нагрузкой может начать прокручиваться внешнее зубчатое колесо, а выходной вал при этом останется неподвижным. Правда, на такой случай инженеры BMW предусмотрели специальный электромагнитный фиксатор, блокирующий эпициклическую шестерню от проворота.
По-видимому, эти преимущества волновой передачи оказались весьма значительны, поскольку вслед за Lexus, аналогичное по конструкции рулевое упралвние появилось и на Audi A
Передаточное число рулевого механизма
Угловое передаточное число это отношение элементарного угла поворота рулевого колеса к полусумме элементарных углов поворота наружного и внутреннего колес, т.е.:
где 
Оно переменно и зависит от передаточных чисел рулевого механизма 
и рулевого привода 
:
Передаточное число рулевого механизма – отношение элементарного угла поворота рулевого колеса к элементарному углу поворота вала сошки. В зависимости от конструкции рулевого механизма оно может быть постоянным в процессе поворота рулевого колеса или переменным.
Считается, что рулевые механизмы с переменным передаточным числом ( 
соответствует нейтральному положению рулевого колеса) целесообразно применять для легковых автомобилей. Это обеспечивает большую безопасность движения на повышенных скоростях, так как малый угол поворота рулевого колеса не вызывает значительного поворота управляемых колес. Для грузовых автомобилей и особенно для автомобилей высокой проходимости, не оборудованных рулевыми усилителями, целесообразно применять рулевые механизмы, которых соответствует крайним положениям рулевого колеса, что облегчает управление автомобилем при маневрировании.
В настоящее время на большинстве автомобилей применяются рулевые механизмы с постоянным передаточным числом. Передаточные числа рулевых механизмов некоторых автомобилей приведены в табл.2.
Передаточное число рулевого привода – отношение плеч рычагов привода. Поскольку положение рычагов в процессе поворота рулевого колеса изменяется, то передаточное число рулевого привода переменно: 
Большие значения выбирают для специальных автомобилей.
Передаточные числа рулевых механизмов автомобилей
| Легковые автомобили | Грузовые автомобили | Автобусы | |||
| ВАЗ-1111 | 126/3,25 | ГАЗ-3301. | 21,3 | РАФ – 2203 | 19,1 |
| ВАЗ-2108 | 151/3,65 | ЗИЛ-433100. | 20,0 | ПАЗ – 3201 | 20,5 |
| ГАЗ-3102 | 19,1 | КамАЗ-5320. | 20,0 | ЛАЗ – 699Р | 23,6 |
| ЗИЛ-4104 | 17,5 | «Урал-4320» | 21,5 | ЛАЗ – 4202 | 23,6 |
| КрАЗ-260. | 23,6 | ||||
| КАЗ-4540. | 23,6 | ||||
| БелАЗ-548А. | 40,4 |
* В числителе приведены значения полного хода рейки, в знаменателе число оборотов рулевого колеса.
Силовое передаточное число рулевого управления.
Его оценивают отношением суммы сил сопротивления повороту управляемых колес к усилию, приложенному к рулевому колесу. Иногда под силовым передаточным числом понимают отношение момента сопротивления повороту управляемых колес 
к моменту, приложенному на рулевом колесе 
:
Силовое передаточное число может служить критерием оценки легкости управления по усилию, приложенному к рулевому колесу для поворота управляемых колес. При проектировании автомобилей ограничивается как минимальное (60 Н), так и максимальное (120 Н) усилие.
Ограничение минимального усилия необходимо, чтобы водитель не терял «чувства дороги». Для поворота на месте на бетонной поверхности усилие не должно превосходить 400 Н. По ГОСТ 21398-75 максимальное усилие при выходе из строя усилителя не должно превышать 500 Н у грузовых автомобилей.
Параметры рулевого колеса.
Максимальный угол поворота рулевого колеса в каждую сторону зависит от типа автомобиля и находится в пределах 540. 1080° (1,5. 3 оборота). При больших значениях угла поворота рулевого колеса может быть затруднено маневрирование.
Диаметр рулевого колеса нормирован: для легковых и грузовых малой грузоподъемности автомобилей он составляет 380. 425 мм, а для грузовых автомобилей, тягачей, многоместных автобусов 440. 550 мм.
РУЛЕВЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Рулевой механизм включает в себя рулевую пару (иногда называют рулевой передачей), размещенную в картере, рулевой вал, рулевую колонку и рулевое колесо.
Из условий компоновки рулевого механизма рулевой вал может состоять из двух или трех частей, соединяемых карданными шарнирами.
К конструкции рулевых механизмов предъявляется ряд специальных требований:
1. Высокий КПД в прямом направлении (при передаче усилия от рулевого колеса для облегчения управления автомобиля и несколько пониженный КПД в обратном направлении для снижения силы толчков передаваемых на рулевое колесо от управляемых колес при наезде на неровности;
2. Обратимость рулевой пары, чтобы рулевой механизм не препятствовал стабилизации управляемых колес;
3. Минимальный зазор в зацеплении элементов рулевой пары в нейтральном положении управляемых колес и в некотором, диапазоне углов поворота (беззазорное зацепление) при обязательной возможности регулирования зазора в процессе эксплуатации;
4. Заданный характер изменения передаточного числа рулевого механизма;
5. Травмобезопасность рулевого механизма, с тем чтобы при лобовом столкновении он не был причиной травмы водителя
Общее кинематическое передаточное отношение рулевого управления, определяемое передаточными числами механизма Uр.м. и привода Uр.п. равно отношению полного угла поворота рулевого колеса к углу поворота колес от упора до упора:
Рис. 5. Зависимость разности углов поворота колес от угла поворота внутреннего колеса:
1-рассчитанная по соотношению Аккермана
2-для проектируемого автомобиля
Для легковых автомобилей с механическим рулевым управлением р.к.max=1080 0 …1440 0 (3…4 оборота рулевого колеса), при наличии усилителя р.к.max=720 0 …1080 0 (2…3 оборота рулевого колеса).
Обычно количество оборотов рулевого колеса определяется в этих пределах по результатам расчета зубчатого зацепления «шестерня-рейка». В нашем случае расчеты показали оптимальное число оборотов, равное 3,6 (1296 0 ).
Тогда общее передаточное число равно:
Поскольку для проектируемого автомобиля принят рулевой механизм с постоянным передаточным числом, Uр.м. постоянно для любого угла поворота руля:
Передаточное число рулевого привода не является величиной постоянной и уменьшается с увеличением угла поворота руля, что неблагоприятно сказывается на усилии на рулевом колесе при парковании.
Зависимость кинематического передаточного отношения проектируемого рулевого управления приведена на рис.6
Рис. 6. Зависимость передаточного отношения рулевого управления от угла поворота руля.
Существует два подхода к согласованию кинематики подвески и рулевого привода. Согласно первому, при ходах отбоя и сжатия подвески не должно происходить поворота управляемых колес; согласно второму, более совершенному, конструктор сознательно задает закон изменения схождения колес при ходах подвески для улучшения управляемости автомобиля и снижения износа шин. По рекомендациям фирмы Порше, которые используются на ВАЗе при проектировании, схождение колес должно увеличиваться при ходе отбоя и уменьшаться при ходе сжатия подвески. Скорость изменения схождения должна равняться 3-4 минутам на сантиметр хода подвески.
Эта работа проводится специалистами отдела общей компоновки и включается синтез кинематики подвески и рулевого управления, в результате которого определяются координаты характерных кинематических точек.
8.2. Передаточное число рулевого управления
Общее кинематическое передаточное число рулевого управления определяется как отношение
,
– угол поворота управляемых колес;
– угол поворота рулевого колеса.
Для легковых автомобилей полный угол поворота рулевого колеса составляет Q = 1080. 1260° (3. 3,5 оборота), а полный угол поворота управляемых колес a = 65. 70. Передаточное число рулевого привода uРП = 1. Для грузовых автомобилей при повороте управляемых колес на a = 40° (±20° от нейтрального положения) угол поворота рулевого колеса не должен превышать Q £ 1260°, без учета угла свободного поворота рулевого колеса. Передаточное число рулевого привода uРП £ 1,3. 1,5.
Передаточное число рулевого управления определяется и как произведение передаточного числа рулевого привода uРП и передаточного числа рулевого механизма, uРМ.
Из этого выражения передаточное число рулевого механизма определяется
.
Для сравнительного анализа следует отметить, что передаточное число рулевых механизмов легковых автомобилей укладывается в пределах uРМ = 16. 20, а грузовых – uРМ = 20. 24.
При выполнении кинематического расчета рулевого управления выполняется разработка* кинематики совместной работы рулевых тяг и направляющего устройства подвески, задача которой состоит в том, чтобы найти такие размеры и расположение в пространстве рычагов шарниров и тяг рулевого управления, при которых не будет происходить угловых перемещений управляемых колес при деформации упругих элементов подвески.
9. СИЛОВОЙ РАСЧЕТ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ
Задачей силового расчета является определение максимальных сил, действующих на рулевое управление. В силовом расчете определяются: усилие на рулевом колесе, необходимое для поворота управляемых колес (сила, действующая на рулевое управление от рулевого колеса); на управляемых колесах при торможении; на отдельных деталях рулевого управления, а также усилие, развиваемое цилиндром усилителя (сила, действующая на рулевое управление от усилителя).
9.1.Усилие на рулевом колесе
Наибольшего значения усилие на рулевом колесе Fр достигает при повороте автомобиля, стоящего на сухом асфальтобетонном покрытии. В движении это усилие снижается почти в два раза:
,
– момент сопротивления повороту управляемых колес на месте (момент на цапфах), Н×м;
– радиус рулевого колеса, м;
– прямой КПД рулевого управления (
).
Размеры рулевого колеса нормированы и имеют следующие значения (табл. 4).
Момент сопротивления повороту управляемых колес определяется как
– момент сопротивления перекатыванию управляемых колес при их повороте вокруг шкворней (момент сопротивления качению колес);
– момент сопротивления скольжению, возникающий при повороте колеса на месте;
– моменты, обусловленные поперечными и продольными наклонами шкворней.
Для расчетов МСП можно воспользоваться полуэмпирической формулой, дающей достаточно близкие значения к опытным:
,
– давление воздуха в шине, Па;
– коэффициент сцепления (j = 0,7. 0,9);
– осевая нагрузка, воспринимаемая управляемыми колесами, Н.
Размеры рулевого колеса
Диаметр рулевого колеса, мм
Легковые особо малого класса
Легковые, микроавтобусы, грузовые малой грузоподъемности
Грузовые средней грузоподъемности и автобусы средней вместимости
Грузовые и тягачи большой грузоподъёмности, многоместные автобусы и троллейбусы
Полученное значение Fр сопоставляется с допустимым [Fр] = 250 Н на рулевом колесе. Если Fр > [Fр], необходима установка усилителя.
9.2. Усилие, развиваемое цилиндром усилителя
Полный список ВУЗов
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).