С каждым годом автомобильное движение на дорогах России неуклонно возрастает. В таких условиях важнейшее значение приобретает конструкция транспортных средств, отвечающая современным требованиям безопасности движения.
На безопасность движения огромное влияние оказывает конструкция рулевого управления, как важнейший фактор взаимодействия водителя с дорогой. Для улучшения характеристик рулевого управления в его конструкцию добавляют разные типы усилителей. В нашей стране усилители рулевого управления применяют практически только на грузовых автомобилях и автобусах. За границей все больше легковых автомобилей имеют рулевое управление с усилителями, в том числе и легковые автомобили среднего и даже малого классов, поскольку рулевое управление с усилителем имеет несомненное преимущество перед обычным, обеспечивает гораздо большие комфорт и безопасность движения.
1. Общие сведения об автомобиле
1.1 Исходные данные для проектирования рулевого управления
Параметры шасси зависят от типа кузова, расположения двигателя и коробки передач, распределения масс автомобиля и его наружных размеров. В свою очередь, схема и конструкция рулевого управления зависят как от параметров всего автомобиля, так и от принятых решений по схеме и конструкции других элементов шасси и привода. Схема и конструкция рулевого управления определяются на ранних этапов проектирования автомобиля.
Основой для выбора способа управления и компоновочной схемы рулевого управления являются принятые на этапе эскизного проектирования характеристики и конструктивные решения, как то: максимальная скорость движения, размеры базы, колеи, колесная формула, распределение нагрузки по осям, минимальный радиус поворота автомобиля.
В нашем случае, необходимо спроектировать рулевое управление для легкового автомобиля малого класса передним поперечно расположенным двигателем и передними ведущими колесами.
Исходные данные для расчетов:
| · Колея передних колес | b12=1385 мм |
| · База автомобиля | L=2488 мм |
| · Минимальный радиус поворота | R=5…5,2 м |
| · Снаряженная масса автомобиля | 1029 кг |
| · Размер шин | 165/70R13 |
Для оценки сил и моментов, действующих в рулевом управлении, необходима также информация по основным кинематическим точкам передней подвески, а также углам установки управляемых колес. Обычно эти данные становятся определенными по мере завершения синтеза кинематической схемы подвески по окончании этапа компоновки и уточняются (корректируются) на этапе доводки автомобиля. Для начальных, приближенных расчетов достаточно данных по углам установки оси шкворня и величине плеча обкатки. В нашем случае это:
| · Угол продольного наклона оси шкворня | a=1,43 град |
| · Угол поперечного наклона оси шкворня | b=13,24 град |
| · Угол развала колес | j'=0 град |
| · Угол схождения колес | q'=0 град |
Следует отметить, что принятое значение минимального радиуса поворота автомобиля, характеризующее его маневренность, является, по-видимому, минимально возможным для переднеприводных автомобилей такого класса. В качестве ограничивающего фактора здесь выступает максимально возможный угол в шарнирах равных угловых скоростей, которые применяются для передачи крутящих моментов от силового агрегата к передним колесам. Анализ данных по радиусу поворота выпускаемых в 70-80-е годы легковых автомобилей малого класса показывает, что его значение лежит в пределах 4,8-5,6 м. Дальнейшее снижение этого показателя возможно лишь путем применения всеколесного рулевого управления.
Для оценки (расчета) момента на рулевом колесе и сил, действующих в рулевом управлении, необходимо знать нагрузку на ось. Для переднеприводных автомобилей среднее распределение массы по осям составляет (%):
| Нагрузки автомобиля | Передняя ось | Задняя ось |
| Без нагрузки | 61 | 39 |
| Два человека спереди | 60 | 40 |
| Четыре человека | 55 | 45 |
| Пять человек и багаж | 49 | 51 |
| Нагрузки автомобиля | Полная масса, кг | Масса, приходящаяся на переднюю ось, кг |
| Без нагрузки | 900 | 549 |
| Два человека спереди | 1050 | 630 |
| Четыре человека | 1200 | 660 |
| Пять человек и багаж | 1325 | 649,5 |
1.2 Назначение рулевого управления. Основные требования
Рулевое управление – это совокупность устройств, обеспечивающих поворот управляемых колес автомобиля при воздействии водителя на рулевое колесо. Оно состоит из рулевого механизма и рулевого привода. Для облегчения поворота колес в рулевой механизм или привод может быть встроен усилитель. Кроме того, для повышения комфорта и безопасности езды на автомобиле в рулевое управление может встраиваться амортизатор.
Рулевой механизм предназначен для передачи усилия от водителя к рулевому приводу и для увеличения момента, приложенного к рулевому колесу. Он состоит из рулевого колеса, рулевого вала и редуктора. Рулевой привод служит для передачи усилия от рулевого механизма (редуктора) к управляемым колесам автомобиля и для обеспечения необходимого соотношения между углами их поворота. Амортизатор компенсирует ударные нагрузки и предотвращает биение рулевого управления.
Задачей рулевого управления является возможно более однозначное преобразование угла поворота рулевого колеса в угол поворота колес и передача водителю через рулевое колесо информации о состоянии движения автомобиля. Конструкция рулевого управления должна обеспечивать:
1) Легкость управления, оцениваемую усилием на рулевом колесе. Для легковых автомобилей без усилителя при движении это усилие составляет 50…100 Н, а с усилителем 10…20 Н. Согласно проекту ОСТ 37.001 "управляемость и устойчивость автомобилей. Общие технические требования", который введен в действие в 1995 году, усилие на руле для автомобилей категории М1 и М2 не должно превышать нижеследующих величин.
Нормы по усилию на рулевом колесе, приведенные в проекте ОСТ соответствуют введенным в действие правилам ЕЭК ООН №79;
| · Для неподвижного автомобиля без усилителя | …250 Н |
| · Для неподвижного автомобиля с усилителем | … 60 Н |
| · Для движущегося автомобиля с исправным рулевым автомобилем | …150 Н |
| · Для движущегося автомобиля при отказе усилителя | …300 Н |
2) Качение управляемых колес с минимальным боковым уводом и скольжением при повороте автомобиля. Несоблюдение этого требования приводит к ускорению изнашивания шин и снижению устойчивости автомобиля при движении;
3) Стабилизацию повернутых управляемых колес, обеспечивающую их возвращение в положение, соответствующее прямолинейному движению при отпущенном рулевом колесе. Согласно проекту ОСТ 37.001.487, возврат рулевого колеса в нейтральное положение должен происходить без колебаний. Допускается один переход рулевого колеса через нейтральное положение. Это требование также согласовано с Правилами ЕЭК ООН №79;
4) Информативность рулевого управления, что обеспечивается его реактивным действием. Согласно ОСТ 37.001.487.88, усилие на рулевом колесе для автомобиля категории М1 должно монотонно возрастать с увеличением бокового ускорения до величины 4,5 м/с2;
5) Предотвращение передачи ударов на рулевое колесо при наезде управляемых колес на препятствие;
6) Минимальные зазоры в соединениях. Оцениваются углом свободного поворота рулевого колеса автомобиля, стоящего на сухой, твердой и ровной поверхности в положении, соответствующем прямолинейному движению. По ГОСТ 21398-75 этот зазор не должен превышать 150 при наличие усилителя и 50 – без усилителя рулевого управления;
7) Отсутствие автоколебаний управляемых колес при работе автомобиля в любых условиях и на любых режимах движения;
8) Углы поворота рулевого колеса для автомобилей категории М1 должны находиться в пределах, установленных табл. :
| Кривизна траектории х10-2, м-1 | Угол поворота руля, рад | |
| минимальный | максимальный | |
| 0,21 | (0,21L+0,2)i×10-2 | (0,21L+1,3)i×10-2 |
| 0,42 | (0,42L+0,4)i×10-2 | (0,42L+2,6)i×10-2 |
| 0,84 | (0,84L+0,48)i×10-2 | (0,84L+5,0)i×10-2 |
Помимо указанных основных функциональных требований, рулевое управление должно обеспечивать хорошее "чувство дороги", которое также зависит от:
1) ощущение точности управления;
2) плавности работы рулевого управления;
3) усилия на руле в зоне прямолинейного движения;
4) ощущения трения в рулевом управлении;
5) ощущения вязкости рулевого управления;
6) точности центрирования рулевого колеса.
При этом в зависимости от скорости движения автомобиля наибольшую значимость имеют различные характеристики. Практически, на этом этапе проектирования создать оптимальную конструкцию рулевого управления, которое бы обеспечило хорошее "чувство дороги", очень сложно. Обычно эта задача решается эмпирическим путем, на основе личного опыта конструкторов. Окончательное решение этой задачи обеспечивается на этапе доводки автомобиля и его узлов.
Особые требования предъявляются к надежности рулевого управления, поскольку при его блокировке, при разрушении или ослаблении какой-либо из его деталей автомобиль становится неуправляемым, а авария почти неизбежной.