Автомобиля с независимой подвеской

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17

Тема: «Назначение, устройство и принцип работы рулевого управления автомобиля»

Цель работы:изучение назначения, устройства и принципов работы рулевых управлений автомобилей.

Общие положения

Рулевое управление автомобиля предназначено для выполнения двух взаимосвязанных функций. Первая из них заключается в изменении направления движения в соответствии с управляющим воздействием водителя. Вторая – в поддержании заданного направления движения, несмотря на наличие внешних возмущений (поперечный уклон дороги, боковой ветер, неравномерность касательных реакций в контактах колес с дорогой и т. д.), стремящихся отклонить автомобиль от выбранного водителем направления движения. Для оценки выполнения этих функций используются соответственно два понятия – управляемость и устойчивость.

Колесные транспортные средства могут поворачивать несколькими способами:

1) за счет поворота колес вокруг общего, расположенного посередине колеи шкворня (шкворень может быть дополнен поворотным кругом);

2) за счет поворота каждого колеса вокруг шкворня, расположенного вблизи этого колеса;

3) за счет взаимного поворота мостов с половинами рамы автомобиля вокруг шарнира, расположенного в базе (шарнирно-сочлененные автомобили);

4) за счет различных по знаку продольных касательных реакций на правых и левых колесах автомобиля.

Наибольшее распространение на автомобилях общего назначения получил второй способ поворота вследствие своих преимуществ:

– для поворота колес не требуется больших усилий;

– малая инерционность вращающихся вокруг шкворня деталей, что облегчает выполнение резких маневров;

– относительно малый объем, занимаемый поворачивающимися колесами, что облегчает компоновку автомобиля.

Выполненное по указанной схеме рулевое управление автомобиля показано на рисунке 17.1 и включает в себя последовательно связанные рулевое колесо, рулевой вал, рулевой механизм и рулевой привод.

а – вариант конструкции; б – конструктивная схема;

1 –рулевой вал; 2 – вал сошки; 3 –сошка; 4 –продольная тяга; 5 – поворотный рычаг;

6 –шкворень; 7 –поворотный кулак; 8 –поперечная тяга; 9 –балка моста

Рисунок 17.1 – Рулевое управление автомобиля с зависимой подвеской

Рулевой привод представляет собой совокупность тяг, шарниров и рычагов, преобразующих движение сошки или рейки во вращательное движение управляемых колес вокруг осей их поворота. Как показано на рисунке 17.1, при зависимой подвеске, характеризующейся наличием жесткой балки 9, связывающей оси поворота колес, рулевой привод получается простым. Он содержит продольную тягу 4, поперечную тягу 8, шкворни 6 и поворотные рычаги 5. Продольная тяга одним концом присоединена к сошке 3, а другим — к одному из рычагов поворотного кулака 7 левого колеса. Все соединения рычагов с тягами производятся при помощи шарниров. Обычно используются сферические шарниры, хотя все три обеспечиваемые ими степени свободы используются не всегда.

Соотношение углов поворота наружного и внутреннего управляемых колес, обеспечивающее их качение по криволинейной траектории без бокового скольжения, зависит от колесной базы и расстояния между осями поворота правого и левого колес.Превышение угла поворота внутреннего колеса над углом поворота наружного колеса достигается при помощи так называемой рулевой трапеции, образованной (см. рисунок 17.1) балкой моста 9, двумя поворот­ными рычагами 5 и поперечной тягой 8. При выведении рулевой трапеции из среднего, нейтрального положения, поперечная тяга поворачивается в горизонтальной плоскости, ее проекция на поперечную плоскость автомобиля укорачивается, вызывая более быстрый поворот внутреннего поворотного рычага по отношению к наружному.

При независимой подвеске, обеспечивающей кинематически независимые перемещения колес, согласование необходимо вести для каждого колеса отдельно. Это приводит к усложнению поперечной связи между управляемыми колесами, заключающемуся во введении двух боковых тяг 1 (рисунок 17.2), маятникового рычага 2, являющегося геометрическим аналогом сошки 3, и средней тяги 4. При этом приходится увеличивать количество шарниров.

Данный рулевой привод, хотя и не является рулевой трапецией в прямом смысле, но сохраняет ее основной признак – сходящиеся назад поворотные рычаги 5.

1 –боковая тяга; 2 – маятниковый рычаг; 3 –сошка; 4 –средняя тяга; 5 – поворотный рычаг

Рисунок 17.2 – Конструктивная схема рулевого управления

автомобиля с независимой подвеской

Червячный рулевой механизм

Достоинством червячного рулевого механизма является большое передаточное число при собственных небольших размерах, но червячная пара имеет низкий КПД, вследствие чего червячные рулевые механизмы в настоящее время вытеснены механизмами с более высоким КПД.

Развитие червячных рулевых механизмов заключалось в уменьшении их изнашиваемости и увеличении КПД за счет замены трения скольжения трением качения. Это возможно, если, как показано на рисунке 17.3, вместо червячного колеса зацепить червяк с роликом, вращающимся на оси. Для того чтобы ролик 1 сохранил контакт с червяком 2 на большой дуге поворота сошки, червяк приходится делать глобоидальным, то есть нарезанным на внутренней поверхности тора. С этой же целью применяют трехгребневые ролики, крайние гребни которых могут выходить из за­цепления с червяком при больших углах поворота колес.

а – рулевой механизм с трехгребневым роликом на радиально-упорных подшипниках;

б, в – рулевой механизм с двухгребневым роликом на игольчатых подшипниках

1 –ролик; 2 – червяк; 3 –вал сошки; 4 –регулировочное устройство; 5 – подшипник; 6 – регулировочные прокладки

Рисунок 17.3 – Рулевой механизм «глобоидальный червяк – ролик»

Прямой коэффициент полезного действия рулевых механизмов «глобоидальный червяк – ролик» довольно высок – до 0,85 при ролике, установленном на шариковых подшипниках, воспринимающих радиальные и осевые силы (рисунок17.3, а). Если же ролик установлен на игольчатых подшипниках, при которых осевые силы воспринимаются торцевыми парами скольжения (боковыми поверхностями ролика, как показано на рис. 17.3, б), то КПД снижается до 0,7. Обратный КПД механизмов с глобоидальным червяком примерно равен 0,6.

Для обеспечения возможности регулирования зазора в зацеплении (рис. 17.3, в) ось ролика 1 вынесена из плоскости, проходящей через ось червяка 2 перпендикулярно оси вала сошки 3, а вал сошки снабжен регулировочным устройством 4 (обычно винтовым), позволяющим передвигать его в осевом направлении.Помимо описанной регулировки, предусмотрена регулировка под­шипников 5 (рисунок17.3, а) червяка, осуществляемая за счет изменения толщины пакета прокладок 6 или резьбового устройства. Однако необходимость в этом возникает весьма редко, и данная регулировка считается сборочной или ремонтной, а не эксплуатационной.

Винтовой рулевой механизм

В настоящее время механизмы такого типа наиболее широко представлены изображенным на рисунке 17.4 гораздо более совершенным, хотя и более сложным в производстве винтореечным механизмом типа «винт – шариковая гайка – рейка – сектор». В этом механизме винт 1 и гайка 2 имеют канавки специального профиля, нарезанные с высокой точностью и имеющие высокую твердость. В канавках находятся шарики 3, и поэтому совокупность деталей «винт – шарики–гайка» можно рассматривать как подшипник качения, отличительным свойством которого является малое трение, обуславливающее высокий КПД и малые износы. Малые износы позволяют эксплуатировать пару «винт – гайка» до списания без регулирования в течение достаточно большого срока. В связи с тем, что канавка, в отличие от канавки подшипников качения, является спиральной, она по краям для предотвращения выкатывания шариков перекрыта трубчатыми шарикопроводами 4, образующими совместно с канавками замкнутые круги циркуляции шариков.

Учитывая характерную эпюру износа рулевых пар, винт делают слегка бочкообразным (его диаметр в средней части больше, чем по краям), и в начале эксплуатации в среднем положении механизма в паре «винт – гайка» имеется натяг, а по краям небольшой зазор. В конце эксплуатации из-за износов в среднем положении появляется зазор, величина которого и определяет срок службы механизма.

Для превращения поступательного движения гайки во вращательное движение сошки по телу гайки нарезана зубчатая рейка, а на валу сошки – зубчатый сектор 5. Пара «рейка – сектор» нуждается в регулировке, поэтому зубья нарезаны с некоторым наклоном к оси вала сошки 6, а сам вал при помощи регулировочного винта 7 может перемещаться в осевом направлении. С целью предотвращения заедания изношенного механизма после регулировки зубья сектора делают тем тоньше, чем дальше они располагаются от среднего зуба.

Коэффициент полезного действия винтореечных механизмов довольно высок: прямой до 0,85 – 0,9, обратный до 0,8.

1 –винт; 2 – гайка; 3 –шарик; 4 –шарикопровод; 5 – зубчатый сектор; 6 – вал сошки; 7 – регулировочный винт

Рисунок 17.4 – Рулевой механизм «винт – шариковая гайка – рейка – сектор»

Шарниры рулевого привода

Основные требования, предъявляемые к шарнирам рулевого привода, заключаются в беззазорности и износостойкости. Необходимость работы без зазоров привела к тому, что почти все шарниры имеют поджатие скользящих поверхностей за счет деформации упругого тела. Обычно (рисунок17.5, а) это стальная пружина 2, но может быть и резиновый элемент или элемент из другого полимерного материала, обладающего упругостью.

Сила упругого элемента может быть направлена вдоль тяги (рисунок17.5, а), или вдоль пальца 8 со сферическим наконечником (рисунок17.5, б). В первом случае пружина должна развивать весьма большую силу, превышающую максимальную рабочую нагрузку, что увеличивает трение в шарнире. Ввиду того что площадь контакта вкладышей 3 со сферическим наконечником пальца 4 по конструктивным соображениям не может быть сделана большой, такое техническое решение приводило бы к повышенным износам трущихся пар. Для устранения указанного недостатка пружину делают слабее, чем нужно, а величину зазора, образующегося при возникновении в рулевом приводе больших сил, ограничивают упором 1. Резьбовая пробка 5 позволяет устанавливать необходимый натяг пружины 2 при сборке шарнира и поддерживать его в заданных пределах во время эксплуатации автомобиля.

Несмотря на предпринятые меры, описанный шарнир сохранил отрицательные свойства в виде повышенного и неравномерного износа рабочих поверхностей, необходимости их периодического смазывания, отсутствия демпфирующего эффекта. Поэтому он был вынужден уступить свое место шарниру второго типа (рисунок17.5, б). В таком шарнире передаваемая вдоль тяги 5 сила не создает большой поперечной нагрузки, действующей вдоль пальца 8 и стремящейся разомкнуть сферические рабочие поверхности. В связи с этим требующаяся сила пружины 4 невелика, и сжатие рабочих поверхностей, не обусловленное силой, передаваемой вдоль тяги, также невелико. Это влечет за собой уменьшение излишнего трения и изнашивания шарнира.

В случае вымывания или сильного загрязнения смазочного материала возможно резкое возрастание трения между пальцем 8 и сменным металлическим вкладышем 2. В результате этого при вращении пальца скольжение между ним и вкладышем может смениться скольжением между вкладышем и корпусом, что неминуемо приведет к порче посадочной поверхности вкладыша и корпуса шарнира. Для предотвращения этого вкладыш зафиксирован относительно корпуса заклепкой-упором 3.

Если автомобиль предназначен для работы в условиях сильной загрязненности и запыленности, то предусматривают возможность замены смазочного материала в шарнире при помощи масленки 7(рисунок17.5, в) и отгибающегося уплотнительного кольца 2.

Рисунок 17.5 – Конструкция шарниров рулевого привода

Использование высококачественных конструкционных материалов для вкладышей, современных смазочных материалов и надежных уплотнений позволяет в настоящее время применять шарниры, не требующие замены смазочного материала в течение всего срока службы.

Современная химия предоставляет конструктору широкую гамму полимерных материалов, удовлетворяющих самым разнообразным требованиям. Помимо двух основных вопросов— снижения коэффициента трения и получения высокой износостойкости — варьирование свойствами материала, величиной и расположенности относительно сферы пальца, а также подбор толщины стенок вкладыша позволяет решить и другие вопросы. К ним относятся, например, создание необходимой упругости рулевого управления для снижения динамических нагрузок и обеспечение надлежащих демпфирующих свойств с целью гашения высокочастотных колебаний.

В тех случаях, когда шарнир должен обеспечивать только одну степень свободы (шарниры поперечной тяги 4 и опора маятникового рычага 2 на рисунке17.2) или углы, необходимые для реализации второй и третьей степеней свободы, малы, применяют упрощенные шарниры (рисунок17.6, б).

Большое значение имеет надежность резиновых защитных чехлов1(рисунок17.6), которые препятствуют загрязнению и вымыванию смазочного материала. При появлении даже небольших порезов, разрывов и трещин в чехлах срок службы шарниров резко сокращается. Для надежной работы резина, применяемая для чехлов, должна обладать достаточной прочностью, эластичностью, масло- и морозостойкостью, а конструкция чехла должна исключать большие деформации и большие напряжения в его материале при рабочих деформациях чехла.

Рисунок 17.6 – Варианты исполнения шарниров рулевого привода

Контрольные вопросы:

1. Назначение и классификация рулевых управлений автомобилей.

2. Устройство и принцип работы рулевого управления при зависимой подвеске управляемых колес.

3. Устройство и принцип работы рулевого управления при независимой подвеске управляемых колес.

4. Устройство и принцип работы червячного рулевого механизма.

5. Устройство и принцип работы винтореечного рулевого механизма.

6. На чем основан принцип работы рулевой трапеции?

7. Назначение и устройство шарниров, используемых в рулевом приводе.

8. Области применения различных типов рулевых механизмов.