Системы управления автомобилем и колесным трактором

6.1. Рулевое управление

Рулевое управление предназначено для поддержания прямо­линейного движения автомобиля в заданном направлении и из­менения его в случае необходимости путем поворота управляемых колес.

Поворачивающий момент, необходимый для изменения направ­ления движения колесного трактора, может создаваться как пово­ротом управляемых колес, так и изменением вращающих момен­тов на ведущих колесах. Возможно сочетание обоих этих способов.

Поворот управляемых колес относительно продольной оси машины проводится следующими способами:

•  поворотом всей оси с установленными на ней колесами — этот способ используется на пропашных тракторах, когда имеют­ся только одно или два спаренных колеса, установленных на ко­роткой оси;

•  поворотом управляемых колес при неподвижной балке моста;

•  относительным поворотом шарнирно сочлененных полурам с закрепленными на них колесами.

Поворот трактора путем изменения соотношения моментов на ведущих колесах (аналогично гусеничным тракторам) использу­ется только на специальных машинах.

Комбинированный способ применяется для пропашных трак­торов, где для уменьшения радиуса поворота поворачивают на­правляющие колеса и тормозят одно из ведущих колес.

Рулевое управление должно обеспечивать:

•  легкость управления, т.е. приложение небольшого усилия на рулевом колесе при ограниченном угле его поворота;

•  хорошую управляемость машины с возможно меньшим ради­усом поворота;

•  обратимость рулевого механизма, т.е. способность повернутых колес самостоятельно под действием стабилизирующего момента возвращаться в положение, соответствующее прямолинейному движению;

•  качение колес с минимальным поперечным уводом и про­дольным скольжением при повороте;

•  минимальную передачу на рулевое колесо ударов и толчков при наезде управляемых колес машины на неровности дороги;

•  хорошую курсовую устойчивость при прямолинейном движе­нии машины и правильную кинематику поворота (качение колес по концентрическим окружностям);

•  пропорциональность усилия на рулевое колесо и момента, поворачивающего управляемые колеса («чувство дороги»);

•  высокую надежность и безотказность в работе.

По числу управляемых колес различают рулевое управление с управляемыми колесами передней оси, с управляемыми колеса­ми двух осей, с управляемыми колесами трех и более осей.

Рулевое управление состоит из рулевого механизма и рулевого привода (рис. 6.1, а). Рулевой механизм, в который входит рулевое колесо 1 с редуктором 2, обеспечивает увеличение подводимого к управляемым колесам 5 и 8 поворачивающего момента. В рулевой привод входят поворотные цапфы 6, 7, поворотные рычаги 4, 9, поперечная 10 и продольная 12 тяги, а также сошка 3.

Рис. 6.1. Кинематическая схема рулевого управления: а — рулевой механизм и рулевой привод; б — рулевая трапеция; 1 — рулевое колесо; 2 — редуктор; 3 — сошка; 4, 9 — поворотные рычаги; 5, 8 — управляе­мые колеса; 6, 7— поворотные цапфы; 10 — поперечная тяга; 11 — балка перед­него моста; 12 — продольная тяга; α, ß — углы поворота управляемых колес

По принципу действия рулевое управление машины может быть механическим, механическим с усилителем (пневматическим, гидравлическим или электрическим) и гидравлическим.

Рулевое управление механическое с усилителем не только облегчает управление автомобилем в нормальных условиях дви­жения, но и повышает безопасность движения, так как в случае прокола шины на большой скорости оно позволяет удержать ав­томобиль на дороге.

В грузовых автомобилях, снабженных пневматическим тормоз­ным приводом, пневматическую систему можно использовать и для обслуживания усилителя рулевого управления, хотя габарит­ные размеры его при этом значительно больше по сравнению с размерами гидравлического усилителя.

Гидравлическое рулевое управление применяют на колесных тракторах с поворотом шарнирно сочлененных полурам.

Управляемость машины, устойчивость движения и усилия на рулевом колесе в значительной степени зависят от передаточного числа i_ру рулевого управления, равного произведению передаточ­ных чисел рулевого механизма i_рм и рулевого привода i_рп:  i _{ру =} i_рм i _рп

где i_рм — передаточное число рулевого механизма, равное отно­шению угла поворота рулевого колеса к углу поворота вала со­шки; i_рп — передаточное число рулевого привода, определяемое как отношение плеч рычагов привода, т.е. являющееся величи­ной, изменяющейся в процессе поворота, хотя и в небольших пределах (i_рп = 0,85… 1,1).

Передаточные числа рулевых механизмов автомобилей нахо­дятся в пределах i_ру= 16…24.

Рулевой механизм преобразует поворот рулевого колеса в угло­вое перемещение рулевой сошки или в поперечное перемещение рейки. Рулевые механизмы проектируют таким образом, чтобы снизить отдачу силового воздействия со стороны пути на руки водителя.

Преобразующие пары редуктора рулевого механизма могут выполняться червячными (червяк—ролик или сектор), винтовы­ми (винт—гайка), реечными (шестерня —рейка) и комбиниро­ванными.

В качестве примера на рис. 6.2 показан рулевой механизм авто­мобиля с парой червяк—боковой сектор.

Рис. 6.2. Рулевой механизм автомобиля с парой червяк—боковой сектор: 1 — нижняя крышка; 2 — сальник; 3, 8 — конические роликоподшипники; 4 — червяк; 5 — сектор; 6 — распорная втулка; 7 — картер; 9 — регулировочные прокладки; 10 — верхняя крышка; 11 — колонка; 12 — вал рулевого механизма; 13, 14 — игольчатые подшипники; 15 — упорная шайба; 16 — боковая крышка; 17 — вал рулевой сошки

Аналогичные рулевые механизмы устанавливаются на некото­рых моделях автомобилей и колесных тракторах. В этих передачах червяк 4 цилиндрический, а на боковой стороне сектора 5 нарезаны спиральные зубья. Передаточное число передачи постоянное. Вращение от рулевого колеса через вал 12 рулевого механизма передается червяку 4, затем с сектора 5 на вал 17 рулевой сошки.

На автомобилях большой грузоподъемности часто устанавли­вают комбинированный рулевой механизм в виде сочетания винт-гайка — рейка — сектор. Для уменьшения коэффициента трения сопряжение винт—гайка осуществляется через циркулирующие шарики.

При повороте водителем рулевого колеса поворот винта 5 (рис. 6.3) приводит к продольному перемещению гайки 4 вместе с порш­нем-рейкой 2. Перемещаясь, поршень-рейка поворачивает через зубчатый сектор 12 вал 10 сошки и рулевую сошку 11.

Рис. 6.3. Рулевой механизм с гидроусилителем: 1 — картер; 2 — поршень-рейка; 3 — винт; 4 — гайка; 5 — шарик; 6 — упорный подшипник; 7 — золотник; 8 — реактивные плунжеры; 9 — пружина; 10 — вал рулевой сошки; 11 — рулевая сошка; 12 — зубчатый сектор

Рулевой привод служит для силовой связи вала сошки или рей­ки с поворотными цапфами управляемых колес.

Преобладающее распространение получили механические ру­левые приводы из-за их относительной простоты в особенности для машин с одним управляемым мостом.

Обязательным звеном привода является рулевая трапеция, про­стейшая схема которой для одного управляемого моста приведена на рис. 6.1, б. В нее входят поворотные рычаги 4, 9, поперечная тяга 10 и балка 11 переднего моста. Размеры элементов трапеции подбирают так, чтобы получить необходимое для правильной ки­нематики соотношение углов а и (3 поворота управляемых колес.

Рулевые приводы подразделяются по месту расположения ру­левой трапеции на рулевые приводы с передней рулевой трапе­цией, расположенной впереди оси управляемых колес, и на рулевые приводы с задней рулевой трапецией, расположенной за осью колес. Кроме того, она может быть разрезной или неразрезной.

При зависимой подвеске управляемых колес поперечная тяга обычно цельная — неразрезная, при независимой подвеске подъем или опускание одного из управляемых колес в случае применения цельной поперечной тяги вызывал бы их непроизвольный поворот. Чтобы избежать этого поперечную тягу делают разрезной, состоя­щей из двух или трех звеньев, а шарниры, связывающие их, распо­лагают в точках, близких к осям качания рычагов подвески. В ре­зультате этого устраняется непроизвольный поворот колес при их вертикальном перемещении (при движении автомобиля по неров­ностям). Расположение продольной тяги тоже выбирают так, чтобы кинематика подвески не влияла на кинематику поворота управляе­мых колес. Тяги рулевых приводов обычно изготовляют из бесшовных стальных труб для уменьшения массы и повышения жесткости тяг.

Шаровые шарниры служат для подвижного соединения без зазоров тяг и рычагов рулевого привода. На рис. 6.4, а—в показа­ны конструкции крепления шаровой опоры пальца 2 внутри рычага 3 через специальные антифрикционные вкладыши — сухари 4. Плотность соединения достигается применением в конст­рукции пружины 5. В конструкции с регулируемым шарниром (рис. 6.4, г) для этой цели служит резьбовая пробка 6. Пружины 5 (см. рис. 6.4, а—в) компенсируют износ и ликвидируют зазоры между сухарем 4 и сферической поверхностью пальца 2, а также смягчают удары, передаваемые со стороны колес.

Рис. 6.4. Шаровые шарниры рулевых тяг: а — в — с осевыми, поперечными и клиновыми сухарями; г — регулируемый шарнир; 1 — корпус; 2 — палец; 3 — рычаг; 4 — сухарь; 5 — пружина; 6 — резьбовая пробка; 7 — масленка; 8 — пыльник

Более перспективными являются шарниры с сухарями из пласт­масс (нейлона, капрона, полиуретана и др.). Для таких сухарей после пропитывания специальным составом не требуется смазы­вание в процессе эксплуатации.

Рулевой привод помимо высокого КПД должен обладать боль­шой жесткостью, предотвращающей упругие деформации дета­лей привода. В этом случае при движении автомобиля исключают­ся виляние управляемых колес и ухудшение курсовой устойчивости.

Наличие зазоров в рулевом механизме и в шарнирах рулевого привода приводит к появлению свободного хода рулевого колеса. При слишком большой его величине управление автомобилем на высоких скоростях движения становится затруднительным из-за виляния автомобиля.

При аварийных столкновениях или резком торможении автомобиля большую опасность представляют расположенные перед водителем рулевое колесо и колонка. Для уменьшения опасности травмирования водителя в этих ситуациях рулевое колесо и колонку изготавливают травмобезопасными, т.е. со специальными ослабленными деталями, которые легко деформируются при силовом воздействии. С этой же целью в рулевое колесо может помешаться подушка безопасности.