Значение передаточного числа рулевого механизма для повышения маневренности 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 u_РП = 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 u_РП £ 1,3. 1,5.

Передаточное число рулевого управления определяется и как произведение передаточного числа рулевого привода u_РП и передаточного числа рулевого механизма, u_РМ.

Из этого выражения передаточное число рулевого механизма определяется

Для сравнительного анализа следует отметить, что передаточное число рулевых механизмов легковых автомобилей укладывается в пределах u_РМ = 16. 20, а грузовых – u_РМ = 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 F_р 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 М_СП 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 F_р сопоставляется с допустимым [F_р] = 250 Н на рулевом колесе. Если F_р > [F_р], необходима установка усилителя.

9.2. Усилие, развиваемое цилиндром усилителя

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Источник

Содержание

Рулевое управление с переменным передаточным числом

rack m

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.

wave m

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

Источник

Требования, предъявляемые к рулевому управлению, и его основные характеристики

К рулевому управлению предъявляются повышенные требования, поскольку оно существенно влияет на управляемость, маневренность, устойчивость и безопасность автомобиля. К перечню общих требований к конструкции автомобиля к рулевому управлению предъявляются специальные требования, в соответствии с которыми оно должно обеспечивать:

• минимальный радиус поворота для обеспечения высокой маневренности автомобиля;

• соответствие между углом поворота рулевого колеса и управляемых колес;

• пропорциональность между усилием на рулевом колесе и сопротивлением повороту управляемых колес;

• минимальную передачу толчков и ударов со стороны дороги на рулевое колесо;

• исключение автоколебаний управляемых колес вокруг оси поворота;

• минимальное влияние на стабилизацию управляемых колес;

• обеспечение травмобезопасности водителя при лобовых столкновениях.

Минимальный радиус поворота автомобиля оценивается расстоянием от центра поворота до сдо средней вертикальной плоскости наружного кправляемого колеса при его максимальном повороте. Значения минимального радиуса поворота регламентируются Правилом №36 ЕЭК ООН, действующим и на территории России. Этот радиус непременно указывается в технической характеристике и его значение обычно составляет 2,0…2,5 базы автомобиля. Обычно минимальный радиус поворота определяется экспериментально при движении автомобиля со скоростью 5км/ч и при максимальном повороте управляемых колес.

Если известны углы бокового увода управлемых. значение минимального радиуса поворота можно определить путем расчета с помощью следующей формулы:

R_min = , (9.1)

где R_δ = – радиус поворота автомобиля с учетом бокового увода шин;

B₁ – колея передних колес автомобиля;

Θ_max — максимальный угол поворота управляемых колес;

δ₁ и δ₂ – углы бокового увода управлемых колес;

L – база автомобиля.

Угловое передаточное число рулевого управления представляет собой отношение угла поворота рулевого колеса α_рк к среднему углу поворота управляемых колес θ:

u_ру = , (9.2)

где θ = — угол поворота управляемых колес;

θ_н – угол поворота наружного колеса.

Значение углового передаточного числа переменное и зависит от передаточных значений рулевого механизма u_рм и рулевого привода u_рп и равно их произведению:

От значения этого передаточного отношения, часто называемым педаточным числом рулевого управления, зависят упраляемость, маневренность и безопасность движения.

Передаточным числом рулевого механизма называется отношение угла поворота рулевого колеса α_рк к углу поворота рулевой сошки α_рс:

u_рм= . (9.3)

Рулевые механизмы автомобилей могут иметь как постоянное значение передаточного числа, так и переменное (рис. 9.3). Численное значение они имеют u_рм= 13…22 для легковых и u_рм= 20…25 для грузовых автомобилей.

Рис. 9.3. Характеристика рулевого механизма при переменном передаточном отношении

Передаточным числом рулевого привода называется отношениеуглу поворота рулевой сошки α_рс к углу поворота управляемых колес θ:

u_рп = . (9.4)

640 1

Для определения передаточного отношения рулевого привода можно использовать отношение плеч рычага поворотного кулака l_пр и рулевой сошки l_рс:

u_рп = (9.5)

Поскольку при осуществлении поворота длина плеч рычагов меняется, то и передаточное отношение рулевого привода не остается постоянным. Численное значение передаточного отношения рулевого привода автомобилей составляет 0,85…1,10.

Поскольку в рулевом управлении имеет место деформация деталей, жесткая кинематическая связь нарушается. Поэтому при одинаковом повороте рулевого колеса в сравнении с жестким рулевым управлением управляемые колеса повернут на меньший угол. Поэтому, наряду с угловым передаточным числом, вводят понятие кинематическое передаточное число рулевого управления, характеризующее жесткую связь между углами поворота рулевого колеса и управляемых колес. Угловое передаточное число всегда будет больше, чем кинематическое. В свою очередь угловое передаточное число, учитывающее упругую податливость рулевого управления называют динамическим передаточным числом рулевого управления. Угловая жесткость рулевого управления легковых автомобилей составляет 1,0…3,5град/Нм. У грузовых автомобилей значениеэтого параметрва выше.

Силовым передаточным числом рулевого управления называется отношение суммы сил сопротивления повороту управляемых колес Р_сп к усилию, приложенному на рулевом колесе Р_рк:

u_c = . (9.6)

В практических расчетах чаще используют отношение момента сопротивления повороту управляемых колес М_сп и момента на рулевом колесе:

u_с = . (9.7)

С помощью силового передаточного числа оценивается легкость управления автомобилем

по усилию, требующемуся для его поворота.

На стадии проектирования автомобиля в расчеты закладывают максимальное усилие на рулевом колесе не более 120Н и минимальное не менее 60Н. Ограничение минимального усилия на рулевом колесе связано с необходимостью обеспечить для водителя «чувство дороги». При проверке усилия на рулевом колесе неподвижного автомобиля оно не должно превышать 400Н на асфальтобетонном покрытии.

Легкость и удобство управления автомобилем в значительной степени зависит от размеров (диаметра) рулевого колеса. Чем больше диаметр, тем меньше уилие на рулевом колесе, но одновременно увеличивается угол порота рулевого колеса для поворота управляемых колес на тот же угол. Диаметр рулевого колеса зависит от типа автомобиля и составляет для легковых автомобилей 380…425мм и для грузовых автомобилей 440…550мм.

Легкость управления автомобилем, значение усилий, передаваемых от управляемых колес к рулевом колесу определяется величиной прямого η_ру и обратного η_ур КПД рулевого управления.

Прямой КПД характеризует потери мощности при передаче усилий от рулевого колеса к управляемым колесам η_ру и определяется как произведение КПД рулевого механизма η_рм и КПД рулевого привода η_рп:

Чем выше значение прямого КПД, тем меньше потери на трение в рулевом механизме и рулевых шарнирах и легче управление автомобилем. Численное значение прямого КПД, в зависимости от конструкции рулевого механизма и привода, составляет η_ру = 0,65…0,85.

Обратный КПД характеризует потери мощности при передаче усилия от управляемых колес к рулевому колесу. Чем меньше значение этого КПД, тем меньше передаются удары и тлчкиот неровностей дороги на руки водителя. Численное значение обратного КПД, в зависимости от конструкции рулевого механизма и привода, составляет η_ур = 0,58…0,65. Вместе с тем, значение обратного КПД должно быть выше предела обратимости рулевого управления, чтобы сохранить у водителя чувство дороги и обеспечить стабилизацию управляемых колес.

Легкость управления зависит от прямого КПД рулевого механизма, так как в нем происходит основная часть потерь на трение. Прямой КПД рулевого механизма η_рм определяется из соотношения:

где М_тр1 – момент трения рулевого механизма, приведенный к рулевому колесу.

Значение сил ударов от дороги на рулевое колесо зависит от величины обратного КПД η_мр, определяемого из отношения:

где М_тр2 – момент трения рулевого механизма, приведенный к валу рулевой сошки.

Значения прямого и обратного КПД для червячных и винтовых рулевых механизмов

могут быть определены по формулам:

η_рм = ; (9.11)

η_мр = , (9. )

где β – уголо подема винтовой линии червяка или винта;

Численные значения прямого и обратного КПД различных типов рулевых механизмов сосоставляют η_рм = 0,60…0,95 и η_мр = 0,55…0,85.

КПД рулевого привода складывается из потерь на трение во всех рулевых шарнирах и его значения составляют η_рп = 0,92…0,95.

Для улучшения управляемости автомобиля, предотвращения виляния управляемых колес зазор в рулевом управлении должен быть минимальным. Определяется этот зазор по углу свободного вращения рулевого колеса при нейтральном положении управляемых колес и складывается он из зазора в рулевом механиезме и рулевом приводе. Допустимый зазор для новых автомобилей составляет 10 0 …15 0 свободного поворота рулевого колеса.

Поскольку большую часть времени автомобиль движется прямолинейно или с малым поворотом управляемых колес, наибольший износ контактирующих поверхностей рулевого механизма и рулевого привода происходит при малых углах поворота рулевого колеса.

Для устранения повышенного зазора в рулевом механизме предусматривается регулировка. Для исключения заклинивания рулевого механизма после регулировки зазор в зацеплениии при повороте рулевого колеса от нейтрального положения должен быть больше, чем в центре, и в конце составлять 25 0 …35 0 свободного поворота рулевого колеса.

Рис. 9.4. Изменение зазора в рулевом механизме в зависимости от поворота рулевого колеса

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Передаточные числа рулевых механизмов довольно значительны. [1]

Для того чтобы облегчить управление в зоне наиболее частых поворотов рулевого колеса передаточное число рулевого механизма иногда делают переменным. [2]

Рулевой механизм должен обеспечивать легкий поворот управляемых колес, что возможно при большом передаточном числе рулевого механизма. Однако при этом значительно возрастает время, затрачиваемое на поворот управляемых колес, что недопустимо при современных скоростях движения автомобилей. Например, для поворота управляемых колес на 30 при передаточном числе рулевого механизма 50 требуется свыше четырех оборотов рулевого колеса и, следовательно, соответствующее время. [7]

Источник