Рулевое управление (РУ)

Рулевое управление служит для изменения направления движения автомобиля. РУ включает в себя:

· рулевой механизм;

· рулевой привод;

· усилитель (если есть необходимость).

Балка моста

Шкворень

Поперечная тяга

Рулевой механизм

Рулевая сошка

Продольная тяга

Поворотный кулак

Вал сошки

Требования к РУ

1. Обеспечение высокой маневренности.

2. Минимальные затраты энергии на управление.

3. Минимальные обратные удары на рулевое колесо при движении по неровной дороге.

4. Отсутствие люфтов в приводе.

5. Стабилизация управляемых колес в направлении прямолинейного движения.

6. Правильная кинематика поворота управляемых колес, обеспечивающая чистое качение управляемых колес без бокового проскальзывания.

Классификация РУ

1. По компоновке.

1) Левостороннее расположение руля.

2) Правостороннее (Япония, Англия, Австралия, Индия и т.д.).

2. По способу изменения траектории движения.

1) С поворотом управляемых колес.

2) С поворотом управляемых осей (пневмокаток).

3) Складыванием шарнирно-сочлененных звеньев (К-700).

4) Изменением тягово-тормозных сил по бортам.

3. По конструкции рулевого механизма.

1) Червячные:

а) червяк – сектор (применяются редко из-за низкого КПД).

Зубчатый сектор

Червяк

Сошка

Рулевой вал

б) червяк – ролик (применяется часто на легковых автомобилях классической компоновки):

Рулевой вал

Рулевая сошка

Червяк

Двухгребневый ролик

2) Винтовые:

а) винторычажные рулевые механизмы (применяются крайне редко);

б) винтореечные рулевые механизмы (применяются широко на автомобилях ЗИЛ, МАЗ, КамАЗ и т.д.):

Рулевая сошка

Винт

Гайка - рейка

Сектор

Рулевой вал

3) Шестеренные (показан реечный рулевой механизм):

Рулевой вал

Рейка в корпусе

Поворотный рычаг амортизаторной стойки

Шестерня

Другой вид шестеренных рулевых механизмов в виде редуктора из зубчатых колес применяется редко.

4) Кривошипные (практически не применяются).

4. По типу усилителя.

1) С гидравлическим усилителем руля.

2) С пневматическим.

3) С вакуумным.

4) С комбинированным.

Передаточные числа рулевого управления

Передаточное число РУ выбирается исходя из нормированных усилий на рулевом колесе (220…500 Н – максимальное усилие без усилителя) с учетом максимально возможной маневренности и возможности сохранения управления автомобилем при отказе усилителя руля.

Общее передаточное число рулевого управления определяется как произведение передаточного числа рулевого механизма на передаточное число рулевого привода: .

u_ру – 10…15 у легковых автомобилей;

u_ру – 20…25 у грузовых и автобусов.

Ввиду низкого значения КПД привода (особенно в обратном направлении от управляемых колес на руль = 0,4…0,45) принято различать угловое и силовое передаточные числа рулевого управления. Угловое передаточное число определяется как отношение элементарного угла поворота рулевого колеса к углу поворота управляемого колеса: , силовое передаточное число определяется как отношение момента на управляемом колесе к моменту на рулевом колесе: . Во втором случае передаточное число будет меньше из-за потерь на трение: .

Для компромисса между легкостью управления и минимальными обратными толчками обычно применяют рулевые механизмы червячного и винтового типов, для которых = 0,8…0,85, = 0,4…0,45. Низкий обратный КПД значительно уменьшает толчки и удары, проходящие от колеса на руль.

Реечный рулевой механизм также получил распространение на легковых автомобилях из-за удобства компоновки, простоты и технологичности конструкции. Однако, реечный механизм имеет одинаковый КПД в прямом и обратном направлении и поэтому удары со стороны дороги на рулевое колесо чувствительнее. Особенно выгодно сочетание реечного рулевого механизма и усилителя, который противодействует воздействию неровностей дороги.

С целью обеспечения минимальных затрат усилий на рулевом колесе и безопасности управления автомобилем на высоких скоростях предпочтение следует отдавать рулевым механизмам с переменным передаточным числом, изменяющимся по закону:

uрм

Угол поворота рулевого колеса

Такую закономерность обеспечивают, в частности, механизмы типа "глобоидный червяк – ролик" с переменным наклоном винтовой линии β:

β

β'

rmax

rmin

β^' > β – угол подъема винтовой линии в середине червяка меньше, а значит ролик будет перемещаться на меньший угол за тот же поворот червяка, передаточное число больше.

Такие механизмы позволяют обходиться без применения усилителей у автомобилей с ограниченной нагрузкой на управляемую ось (легковые и малотоннажные грузовые). Для других автомобилей применяют рулевой механизм с постоянным передаточным числом (реечный или винтовой), который обычно дополняется усилителем руля.

Основы расчета деталей РУ на прочность

При расчете силовых характеристик привода и расчетах на прочность деталей обычно исходят из максимального момента сопротивления повороту управляемых колес неподвижного груженого автомобиля на асфальтированной площадке:

, где М_φ – момент сопротивления повороту колеса относительно середины контакта; М_f – момент сопротивления перекатыванию колеса относительно оси шкворня на плече обкатки .

Мφ

Мf

r0

Направление поворота

, здесь 0,132 ∙ r₀ – принятое из опыта плечо приложения силы сцепления в контакте. G_ось∙ φ_max – сила сцепления в контакте (на асфальте φ_max = 0,8).

, – плечо обкатки (от середины шкворня до середины контакта колеса с дорогой); f – коэффициент сопротивления качению (G_ось∙ f - сила сопротивления качению).

С учетом потерь на трение в приводе:

. Кроме того, известно:

Rрк

Pрк

, то есть:

.

Таким образом, подставив в последнее уравнение выражение для момента на управляемом колесе, определяется сила на рулевом колесе. Диаметр рулевого колеса (а значит R_рк) задается отраслевой нормалью (380…500 мм).

Если сила на рулевом колесе получается больше, чем допускается отраслевой нормалью (60…120 Н), то устанавливается усилитель.

Поскольку РУ является очень ответственной системой, расчету подлежат все детали.

1. Рулевое колесо – рассчитывается по напряжению изгиба спиц и напряжению среза и смятия шлицев в ступице.

Rрк

Pрк

Rрк

Pрк

Rрк

Pрк

Rрк

Pрк

Rрк

Pрк

Rрк

Pрк

Rрк

Pрк

Rрк

Pрк

Rрк

Pрк

Rрк

Pрк

Rрк

Pрк

Rрк

Pрк

l

. Сила на рулевом колесе принимается 400 Н для легковых и 700 Н для грузовых. Z – число спиц, W_X – момент сопротивления изгибу (для сплошного круглого сечения́ ≈ 0,1d ³).

Напряжение смятия и среза шлицев определяется, как в сцеплении.

2. Рулевой вал считается на напряжение кручения и угол закручивания:

100 МПа (W_p – здесь момент сопротивления кручению подставлен для сплошного круглого сечения, а для трубчатого: ).

Допускается угол закручивания вала на один метр длины 5…8⁰.

3. Рулевой механизм.

На примере червячного рулевого механизма:

β

Рокр

Qосев

Sсм

rср

β

dс

Вал сошки

Червяк давит на ролик в окружном направлении с силой:

. Окружная сила на угле подъема винтовой линии β создает осевую силу . Тогда напряжение смятия поверхности контакта ролика и червяка выразится 300 МПа.

4. Вал сошки рассчитывается на напряжение кручения

.

5. Сошка считается на сложнонапряженное состояние по сечению 1-1 от силы, действующей на шаровой палец:

,

, у прямоугольного сечения .

l2

Rс

l1

l3

D

d

Pш

6. Шаровой палец считается на смятие шаровой поверхности и на изгиб по основанию (сечение 2-2):

,

.

7. Шаровые пальцы рулевого привода рассчитываются по аналогии с пальцем сошки (необходимо учитывать передаточное число рулевого привода).

8. Рулевые тяги считают на растяжение-сжатие и на устойчивости при сжатии с использованием формулы Эйлера.

Материалы: тяги и валы – сталь 30…40; рычаги и сошка – сталь 40, 40Х, 40ХН; шаровые пальцы – 12ХН3, 15НМ; червяк и ролик – 30ХН3А, 20Х или 12ХН3А.