Требования к рулевым управлениям

Предъявляемые к автомобилю требования в части управляемости, устойчивости, маневренности и легкости управления могут быть реализованы, если рулевым управлением обеспечивается:

требуемое передаточное число; •— высокая жесткость деталей;

согласованность кинематик рулевого привода и направляющего уст­ройства подвески;

Рис. 13.2. Вариант конструкции рулевого управления (а) и его конструктивная схема (б)

Рис. 13.3. К оценке согласованности кинематик подвески и ру­левого управления

— минимальные зазоры в сочленениях деталей;

— правильное соотношение углов поворота внутреннего и наружного колес,

оптимальная величина стабилизирующего момента;

— небольшая величина крутящего момента, который необходимо при­кладывать к рулевому колесу.

Для объяснения требования согласованности кинематик подве­ски и рулевого привода необходимо рассмотреть рис. 13.3. При пе­ремещении рычагов подвески ABC и DEJ в положение АВС\ и DEJ{ рычаг рулевого привода «а» переместится в положение «gj». Боковая тяга «в» займет положение «ej», причем ее правый конец при не­подвижном рулевом колесе останется на прежнем месте. Из рисунка (см. горизонтальные проекции деталей) видно, что перемещения рычага «а» обусловлены как перемещением рычагов подвески, так и перемещением боковой тяги «в». В показанном случае из-за не­согласованности кинематики подвески и рулевого управления вер­тикальное перемещение подвески привело к повороту оси управ­ляемого колеса на угол А при неподвижном рулевом колесе (не­подвижной тяге «/»), то есть к самопроизвольному, без участия водителя, повороту управляемого колеса.

Самопроизвольные повороты управляемых колес возможны и вследствие упругих деформаций деталей направляющего устройства подвески и рулевого привода при изменении величин сил и мо­ментов, действующих на колеса со стороны дороги, что объясняет необходимость высокой жесткости этих деталей.

Отрицательное влияние зазоров на устойчивость движения оче­видно. Также очевидно и то, что они наиболее опасны при больших скоростях движения, то есть при положении рулевого колеса близком к среднему.

Из рис. 13.1 в следует, что внутреннее и наружное управляемые колеса должны поворачиваться на различные углы, причем чем круче поворот, тем больше различие углов поворота. Различный поворот колес достигается при помощи специальной геометрии механизма, состоящего из тяг и рычагов, связывающих управляемые колеса.

Требование оптимальной величины стабилизирующего момента управляемых колес связано с двумя обстоятельствами:

первое состоит в том, что в пределах, обусловленных зазорами и упругой податливостью рулевого управления, управляемые ко­леса могут совершать самопроизвольные повороты и колебания вокруг шкворней. Для уменьшения амплитуды таких колебаний необходимо, чтобы при отклонении колес автоматически воз­никал бы стабилизирующий момент, стремящийся вернуть колеса в положение, соответствующее прямолинейному движению ав­томобиля. Причем желательно прогрессивное увеличение ста­билизирующего момента по мере увеличения угла поворота ко­лес;

второе обстоятельство заключается в том, что, управляя авто­мобилем, водитель воспринимает информацию о движении не только при помощи зрения. Очень большую роль в этом процессе играют линейные (в особенности боковые) и угловые ускорения, действующие на водителя; сила, приложенная к его телу со стороны сиденья, и реактивный момент, передаваемый на руки водителя рулевым колесом. Этот момент пропорционален ста­билизирующему моменту и в определенной степени позволяет водителю судить о положении управляемых колес, наблюдать которые он не в состоянии.

Величина стабилизирующего момента не должна быть чрезмер­ной, так как он увеличивает крутящий момент, необходимый для управления автомобилем.

Для движения в стесненных дорожных условиях (в первую оче­редь при разворотах) автомобиль должен иметь хорошую манев­ренность. Маневренность характеризуется минимальным радиусом поворота автомобиля. Препятствия, ограничивающие место для дви­жения автомобиля, могут быть низкими и располагаются близко к поверхности дороги, например бордюрные камни, или быть вы-

Рис. 13.4. Законы изменения передаточного отношения рулевого управления

сокими, например столбы, заборы, сооружения. В первом случае для определения маневренности необходимо знать радиусы окруж­ностей наружного края следа наружного колеса и внутреннего края следа внутреннего колеса. Во втором случае маневренность будет определяться радиусами траекторий наружной (обычно край пе­реднего бампера) и внутренней (обычно принадлежащей кузову) точек автомобиля.

Для автомобилей, часто движущихся в стесненных условиях (например, грузовые автомобили на погрузочных площадках), по­мимо малого радиуса поворота важна еще и быстрота выполнения маневров, которую можно оценить скоростью поворота водителем рулевого колеса из одного крайнего положения в другое крайнее положение. Время, необходимое для такого перекладывания рулевого колеса, определяется усилием, необходимым для его вращения, и величиной угла, на который его требуется повернуть.

Высокая маневренность достигается большими углами поворота управляемых колес и короткой базой автомобиля. Однако колеса, поворачивающиеся на большие углы, занимают много места по ширине и вызывают компоновочные сложности, а короткая база часто неудобна по другим соображениям, поэтому особенно высокой маневренностью обладают только те транспортные средства, кото­рым это действительно необходимо — городские автобусы, вну­тризаводской транспорт и т.п.

Другим важным фактором, характеризующим рулевое управле­ние, является закон изменения его передаточного отношения

при повороте рулевого колеса, где Up y — переда­точное отношение рулевого управления; 6р к — угол поворота ру­левого колеса; ©ср упр кол — средний угол поворота правого и левого управляемых колес.

На рис. 13.4 показано несколько вариантов таких законов. При законе изменения Upy, описываемом кривой 1, минимальное зна­чение ир у имеет место при среднем положении рулевого колеса и возрастает по мере его поворота. Крутящий момент, который не­обходимо прикладывать к рулевому колесу, при прямолинейном движении автомобиля, в этом случае велик. Но возрастание ста­билизирующего момента, увеличивающегося по мере поворота уп­равляемых колес, будет в данном случае частично компенсироваться увеличением передаточного отношения рулевого управления.

Закон изменения Uру описываемый кривой 2, противоположен. Он более приемлем для скоростных машин, которым важно иметь большое передаточное отношение при движении с высокими ско­ростями. Это необходимо для того, чтобы автомобиль меньше ре­агировал ца мелкие, ошибочные повороты рулевого колеса, и для того, чтобы водителю было легче противостоять возрастающему при высокой скорости движения стабилизирующему моменту.

В настоящее время в связи с широким распространением уси­лителей рулевого управления закон изменения Up у, иллюстрируемый кривой 7, потерял смысл и заменен более универсальным законом 3, а закон 2 может иметь вариант в виде 4. Необходимо отметить, что основным элементом, определяющим закон изменения Uру является рулевой механизм. Но определенную поправку в отношение вносит и рулевой привод, так как соотношение углов

поворота его рычагов при повороте рулевого колеса не остается постоянным.

Следует иметь в виду, что передаточное отношение, определенное через отношение перемещений входного и выходного звеньев ка­кого-либо механизма, является кинематическим и не может точно определить отношение сил или крутящих моментов, прикладывае­мых к выходному и входному звеньям механизма. Это происходит из-за наличия потерь на трение в механизмах. Поэтому, наряду с понятием кинематического передаточного отношения — Uкин, при­меняют понятие силового передаточного отношения -- Uсил. Со­отношение между ними в общем случае таково: UСИЛ = UKИH • η где η — КПД механизма.

Применительно к рулевому управлению автомобиля указанная формула имеет вид:

где— кинематические передаточные отношения и коэффициенты полезного действия соответственно рулевого механизма и рулевого привода.

Чем выше КПД рулевого управления, тем меньшую силу должен прикладывать водитель для поворота автомобиля. Но со стороны дороги на колеса часто, а в некоторых условиях движения постоянно, действуют разного рода толчки и удары, вызывающие дергание руля в руках водителя, что сильно утомляет его. Отдельные сильные и неожиданные для водителя рывки могут вообще вырвать руль из его рук. Очевидно, чем ниже КПД рулевого управления, тем меньше толчки, действующие на руки водителя. Поэтому конструкторы стараются так спроектировать рулевое управление, чтобы прямой КПД — ηпрям (при передаче вра­щения от рулевого колеса) был бы по возможности высок, а обратный КПД — ηобр (при передаче вращения от управляемых колес к рулевому колесу) — низок. Но делать обратный КПД чрезмерно низким нельзя, так как рулевое управление может стать необратимым, то есть при любом сколь угодно большом моменте, приложенном со стороны дороги к управляемым колесам, и нулевом значении момента на руле обратного вращения не будет. Вследствие такой блокировки стаби­лизирующего момента управляемые колеса лишатся возможности са­мостоятельно устанавливаться в среднем положении. Другое отрица­тельное последствие необратимости рулевого управления заключается в том, что водитель теряет так называемое чувство дороги, заклю­чающееся в том, что крутящий момент, который он должен прикла­дывать к рулю, увеличивается по мере возрастания угла поворота колес и по мере увеличения скорости движения автомобиля.