ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТ РУЛЕВОГО ПРИВОДА
Рулевой привод, как это было показано выше, представляет собой систему тяг и рычагов, соединенных шарнирно или неподвижно. Он служит для передачи усилия от сошки на поворотные кулаки (цапфы) и осуществляет заданную зависимость между углами поворота управляемых колес. Последнюю задачу выполняет часть привода, которую называют рулевая трапеция.
При зависимой подвеске управляемых колес (рис.4-а) рулевой привод состоит из сошки, насаженной на вал рулевого механизма, продольной рулевой тяги, поворотного рычага и рулевой трапеции (два рычага и поперечная тяга). При этом, располагая рулевой механизм, необходимо выполнить два требования:
1. чтобы конец сошки (центр ее шарнира) при повороте рулевого механизма перемещался в плоскости, параллельной продольной плоскости автомобиля;
2. чтобы при нейтральном положении сошки (при прямолинейном движении автомобиля) цент ее шарнира совпадал с центром качания колеса (левого) на упругом элементе подвески.
Соблюдение этих требований исключает возникновение угловых колебаний управляемых колес вокруг шкворней при вертикальных ходах подвески во время прямолинейного движения автомобиля.
При независимой подвеске управляемых колес (рис. 4-б) поперечная тяга рулевой трапеции выполняется расчлененной на три шарнирно связанные части: средняя (собственно поперечная) тяга и две боковые тяги. При этом шарниры 10 должны находиться на продолжении осей качания поперечных рычагов подвески, что исключает угловые колебания управляемых колес вокруг шкворней при вертикальных ходах подвески во время прямолинейного движения автомобиля. Правильное положение указанных выше тяг расчлененной трапеции обеспечивается сошкой и маятниковым рычагом, расположенными симметрично относительно продольной плоскости автомобиля.
Основной задачей кинематического расчета рулевого привода является определение оптимальных параметров рулевой трапеции (обеспечение требуемого соотношения углов поворота управляемых колес вокруг шкворней). При проектировании привода, на первом этапе, считают, что оси шкворней вертикальные, а шины колес – жесткие.
Траектории качения всех колес на повороте должны иметь единый мгновенный центр (т.О), чтобы исключить их боковое скольжение. (см. рис. 2). Для выполнения этого условия должно соблюдаться условие:
,
где В1 – шкворневая колея; Lа – база автомобиля.
Это выражение называют уравнением котангенсов. Геометрия рулевого привода, определяемая этим уравнением, называется геометрией рулевого управления типа Аккерман.
В связи с боковой (поперечной) эластичностью шин добиться идеальной схемы поворота автомобиля, изображенной на Ошибка! Источник ссылки не найден.-а, невозможно. На практике центр поворота автомобиля – т. О находится на некотором расстоянии L¹La, за счет разной «поворачиваемости» автомобиля, связанной с уводом эластичных шин передней и задней осей,.
Для поворота автомобиля с эластичными шинами уравнение котангенсов будет иметь тот же вид, но вместо 
будет L.
Чем ближе 
к единице, тем совершеннее поворот.
Из треугольника ОАВ (рис. 2-а) выразим:
.
Тогда: 
,
.
Расчетными параметрами рулевой трапеции являются (рис.1):
– В1 – шкворневая колея,
– n– расстояние между центрами шарниров трапеции,
– m– длина рычагов поворотных кулаков (цапф).
Рис.1. Расчетные параметры рулевой трапеции и зависимость Х от B1/Lа при y, равном, соответственно: 1.– y = 0,12; 2. – y = 0,14; 3. – y = 0,16.
При проектировании трапеции для получения оптимального соотношения углов поворота управляемых колес должно быть выдержано условие: 
База автомобиля – Lа, известна из компоновки автомобиля. Шкворневую колею (В1) находят из компоновочных соображений по чертежу управляемого моста. Затем, вычислив отношение B1/Lа, по графику на рис. 5 находят три значения коэффициента Х для соответствующих значений коэффициента 
. Очевидно, что значения коэффициента y будут влиять на компоновочную ситуацию в зоне переднего моста. Поэтому предварительно просчитывают три варианта.
После этого, для каждого значения Х вычисляют значения параметров трапеции:
;
;
.
Если компоновочные условия позволяют разместить рулевую трапецию перед управляемым мостом, то длина поперечной тяги (n) должна быть больше шкворневой базы, т. е.:
.
Затем для ряда последовательных значений 
графически определяют величины 
и вычисляют коэффициенты 
. После этого на одном графике строят три кривые зависимости 
от и прямую:– 
.
К окончательной проработке принимают тот вариант трапеции, у которого, для наиболее часто используемых при эксплуатации углов поворота управляемых колес, линия, выражающая на графике зависимость 
, находится ближе к прямой .
Очевидно, что максимальные углы поворота управляемых колес, во время эксплуатации используются достаточно редко и при небольших скоростях движения, поэтому указанное выше условие выбора варианта трапеции следует применять для небольших углов поворота управляемых колес.
При высокой поперечной эластичности шин форма трапеции приближается к прямоугольнику. Но в общем случае, для нормальной работы рулевого привода максимальное значение углов поворота управляемых колес ограничивается условием: 
.
После принятия решения выполняют схематическую компоновку рулевого привода для определения размеров и расположения в пространстве сошки, тяг и рычагов, необходимых для вычисления передаточных чисел привода. При этом необходимо стремиться к симметричности крайних положений сошки относительно нейтрального и к равенству передаточных чисел привода при повороте колес как направо, так и налево. Это условие обычно выполняется, если углы между сошкой и продольной тягой и между тягой и поворотным рычагом в крайних положениях приблизительно одинаковые.
При необходимости, может быть выполнен графический анализ правильности принятого решения. Суть графического анализа рулевого привода (рис. 0.) заключается в построении нескольких положений продольных рычагов и поперечной тяги при повороте управляемых колес, и анализе положений связанных с ними точек относительно теоретической линии MF.
Вначале угол dI поворота рычага трапеции внутреннего переднего колеса (1) (на рисунке справа) с соответствующим шагом отклонения изображают от начального положения рулевого рычага, рис. 0.. Затем от шарнира этого рычага проводят дуговую заметку с радиусом, равным длине поперечной рулевой тяги.
Эта дуга пересекает дугу радиуса, равного длине продольных рычагов трапеции, проведенную из оси шкворня наружного колеса, определяя соответствующий угол d0 поворота наружного переднего колеса. При изображении углов di поворота внутреннего переднего колеса и соответствующих углов d0 поворота наружного переднего колеса, от линии передней оси их не общие стороны будут пересекаться в точках O1, O2, O3 на кривой погрешностей как это показано на рис. 0..
Рис. 0. Кривая погрешности рулевой трапеции
Если геометрия рулевого управления отвечает уравнению котангенсов, то пересечение не общих сторон углов di и d0 должны лежать на прямой линии MF, как это упоминалось раньше. Поэтому отклонение кривой, последовательно соединяющей точки O1, O2, O3, от линии MF является показателем погрешности геометрии рулевого управления в отношении критерия рулевой трапеции Аккермана. Геометрия рулевого управления с кривой погрешности, которая существенно отклоняется от линии MF, будет вызывать значительное трение шин при повороте. Это приведет к интенсивному износу шин и увеличению усилия на рулевом колесе для поворота.
Этот графический метод является приемлемым только для рулевых систем с неразрезной трапецией, которая обычно используется на транспортных средствах с передней зависимой подвеской.
Для машин с передней независимой подвеской система рулевых тяг будет более сложной, и использование этого метода или потребует дополнительных сложных построений, или станет просто невозможным.
Наличие боковой эластичности шин оказывает существенное влияние на поведение автомобиля при маневрировании (на соотношение реальных углов поворота левого и правого управляемых колес и положение мгновенного центра поворота автомобиля). Но это требует более серьезных исследований, методика которых приводится в специальной литературе.
13.3. Кинематический расчет рулевого привода
При проектировании рулевого управления обычно выполняют два расчета: кинематический и прочностной.
Кинематический расчет заключается в определении углов поворота управляемых колес, выборе параметров рулевой трапеции, согласовании кинематики рулевого управления и подвески, а также нахождения передаточных чисел рулевого механизма, привода и управления в целом.
Для того чтобы исключить боковое скольжение колес при движении автомобиля на повороте, траектории всех колес должны представлять собой дуги концентрических окружностей с общим центром О (мгновенный центр поворота). Для этого управляемые колеса должны быть повернуты на разные углы.
Соотношение между углами поворота наружного 
и внутреннего
управляемых колес, при котором обеспечивается их качение без скольжения, определяется из геометрических соотношений:
, (13.10)
где 
– расстояние между осями шкворней (между осями поворотных цапф);
– база автомобиля.
Максимальный угол поворота наружного управляемого колеса 
ограничивается по условиям компоновки автомобиля лонжероном рамы или продольной балкой основания несущего кузова. После подстановки
в выражение (13.10) находят максимальный угол поворота внутреннего управляемого колеса
.
Для определения геометрических параметров рулевой трапеции используют в большинстве случаев графические методы. Для этой цели предварительно задаются размерами поперечной тяги и боковых сторон трапеции, исходя из следующих соображений.
В существующих конструкциях пересечение продолжения осей боковых тяг трапеции имеет место приблизительно на расстоянии 0,7
от передней оси, если трапеция задняя, и на расстоянии 
, если трапеция передняя.
Считается, что оптимальное отношение длины m бокового рычага трапеции к длине n поперечной рулевой тяги составляет:
= 0,12 ÷ 0,16. (13.11)
Численные значения m и n можно найти из подобия треугольников:
, 
С учетом выражения (13.11) и 
, получим уравнение с одним неизвестным, решение которого дает приближенные численные значения искомых величин.
Таким же образом можно найти приближенные значения параметров передней трапеции.
П
о полученным данным выполняют в масштабе графическое построение рулевой трапеции. Затем, построив через равные угловые промежутки положение цапфы внутреннего колеса, графически находят соответствующие положения наружного колеса и строят график зависимости 
,которую называют фактической (штриховая кривая). Далее по уравнению (13.10) строят теоретическую зависимость (сплошная кривая).
Если максимальная разница между теоретическим и фактическим значениями не превосходит 1,5° при максимальном угле поворота внутреннего колеса, то считается, что трапеция подобрана правильно.
Подбор параметров рулевой трапеции с учетом увода управляемых колес представляет определенные трудности, так как продольное смещение мгновенного центра поворота зависит от скорости движения. Существует ряд аналитических способов определения оптимальных параметров рулевой трапеции, которые дают также приближенное значение искомых величин.
Схематическую компоновку рулевого привода выполняют для определения размеров и расположения в пространстве сошки, тяг и рычагов, а также передаточного числа привода. При этом стремятся обеспечить одновременно симметричность крайних положений сошки относительно ее нейтрального положения, а также равенство передаточных чисел привода при повороте колес как вправо, так и влево.
Если углы между сошкой и продольной тягой, а также между тягой и поворотным рычагом в его крайних положениях приблизительно одинаковы, то эти условия выполняются.
Кинематически перемещения продольной тяги и подвески должны быть согласованы, чтобы исключить самопроизвольный поворот управляемых колес при деформации 
упругого элемента подвески.
Компоновка, показанная на рисунке, не обеспечивает необходимого согласования траекторий переднего конца продольной тяги и центра колеса. Поэтому при вертикальных и угловых колебаниях автомобиля возникает самопроизвольный поворот управляемых колес.
Сравнительно хорошее согласование может быть получено при расположении рулевого механизма перед передней осью или при расположении рулевого механизма за передней осью и передним расположением серьги листовой рессоры. Однако при переднем расположении серьги продольные силы, возникающие при наезде передних колес на препятствие, в большей степени передаются на раму автомобиля.
Автомобили. Проектирование и расчет рулевых управлений: Учебно-методическое пособие
Страницы работы
Содержание работы
А. А. Енаев
Проектирование и расчет
рулевых управлений
Братск 2004
1. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ РУЛЕВЫХ УПРАВЛЕНИЙ…………………………………….
2. НАЗНАЧЕНИЕ, ТРЕБОВАНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ…
3. ВЫБОР СПОСОБА ПОВОРОТА АВТОМОБИЛЕЙ………
4. ВЫБОР СХЕМЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ…………….
5.1. Назначение, требования, классификация…………….
5.2. Оценочные параметры рулевого механизма…………..
5.3. Выбор типа рулевого механизма……………………….
5.4. Материалы, используемые для изготовления рулевых механизмов………………………………………………….
6.1. Назначение, требования, классификация…………….
6.2. Оценочные параметры рулевого привода……………..
6.3. Выбор типа рулевого привода………………………….
6.4. Материалы, используемые для изготовления рулевых приводов………………………………………………………
7. УСИЛИТЕЛИ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ………………..
7.1. Назначение, требования, классификация…………….
7.2. Оценочные параметры усилителя рулевого управления…………………………………………………………….
7.3. Выбор схемы компоновки усилителей……………….
7.5. Материалы, используемые для изготовления усилителей насосов………………………………………………….
8. РАСЧЕТ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ…………………….
8.1. Кинематический расчет рулевого привода…………….
8.2. Передаточное число рулевого управления…………….
9. СИЛОВОЙ РАСЧЕТ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ……….
9.1. Усилие на рулевом колесе………………………………
9.2. Усилие, развиваемое цилиндром усилителя…………..
9.3. Усилие на колесах при торможении………………….
9.4. Усилия на поперечной и продольной тягах……………
10. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ……………
11. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ..
11.1. Расчет рулевых механизмов………………………….
11.2. Расчеты рулевых приводов……………………………
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………….
1. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И РАСЧЕТУ РУЛЕВЫХ УПРАВЛЕНИЙ
Проектирование и расчет рулевых управлений является одной из составных частей курсового проекта по дисциплине «Автомобили».
На первом этапе курсового проектирования необходимо выполнить тяговый расчет и исследовать эксплуатационные свойства автомобиля, используя методические указания «Автомобили. Общие положения. Тяговый расчет» и затем приступить, в соответствии с заданием, к проектированию и расчету агрегата или системы шасси автомобиля.
При проектировании и расчете рулевых управлений необходимо подобрать рекомендуемую литературу, внимательно ознакомиться с данным пособием. Последовательность работы по проектированию и расчету рулевых управлений такова:
1. Выбрать способ поворота автомобиля, схему рулевого управления, тип рулевого механизма, схему компоновки усилителя (если он необходим).
2. Выполнить кинематический расчет, силовой расчет, гидравлический расчет усилителя (если в рулевом управлении предусматривается установка усилителя).
3. Выбрать размеры деталей и выполнить прочностной расчет.
В настоящем учебно-методическом пособии подробно изложено, как выполнить все эти виды работ.
2. НАЗНАЧЕНИЕ, ТРЕБОВАНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Рулевое управление – это совокупность устройств, служащих для поворота управляемых колес автомобиля при воздействии водителя на рулевое колесо и состоящее из рулевого механизма и привода (рис. 1).
Рулевой механизм – это часть рулевого управления от рулевого колеса до рулевой сошки, а рулевой привод включает детали от рулевой сошки до поворотной цапфы.
Рис. 1. Схема рулевого управления:
1 – рулевое колесо; 2 – рулевой вал; 3 – рулевая колонка; 4 – редуктор; 5 – рулевая сошка; 6 – продольная рулевая тяга; 7 – поворотная цапфа; 8 – рычаг поворотной цапфы; 9 – боковой рычаг; 10 – поперечная тяга
К рулевому управлению предъявляются следующие требования:
1) обеспечение высокой маневренности автотранспортных средств, при которой возможны крутые и быстрые повороты на сравнительно ограниченных площадях;
2) легкость управления, оцениваемая величиной усилия, прикладываемого к рулевому колесу.
Для легковых автомобилей без усилителя при движении это усилие составляет 50. 100 Н, а с усилителем – 10. 20 Н. Для грузовых автомобилей усилие на рулевом колесе регламентируется: 250. 500 Н – для рулевого управления без усилителя; 120 Н – для рулевого управления с усилителем;
3) качение управляемых колес с минимальным боковым уводом и скольжением при повороте автомобиля;
4) точность следящего действия, в первую очередь кинематического, при котором любому заданному положению рулевого колеса будет соответствовать вполне определенная заранее рассчитанная кривизна поворота;
