Исследование рабочих процессов в рулевом приводе автомобилей (стр. 2 из 5)
В третьем диапазоне имеют место обратимые смещения, вызванные упругостью элементов РП. Они достигают 8-10 мм при средне эксплуатационных нагрузках в РП не выше 300 даН, после снятия которых они компенсируются. В четвертом диапазоне имеют место только остаточные смещения, вызванные пластическим деформированием деталей и являющиеся критерием прочностных свойств.
Рис.2. Диаграмма диапазонов усилий и смещений в кинематической цепи РП, вытекающая из физических процессов в рулевом приводе
Таким образом, при условии, что поворот рулевой сошки происходит в пределах смещений в кинематической цепи РП, учитывая принятые ранее допущения, работа, затраченная на преодоление моментов трения в подвижных сопряжениях, зазоров и упругости РП, равна:
 , | (16) |
Или
 . | (17) |
Тогда момент сил трения в сопряжениях рулевого привода равен:
 . | (18) |
Поэтому для рассматриваемого случая поворота рулевой сошки на величину смещений в РП, работа сил трения может быть определена:
 , | (19) |
что представляет удобство для экспериментальных исследований, в условиях которых коэффициент Ка равен критерию качества РП.
2. Расчёт пути трения и скорости относительного скольжения элементов шарниров рулевых тяг
В настоящее время проблема надежности узлов и систем автомобиля очень актуальна. Надежность рулевого привода является одной из составляющих надежности автомобиля в целом.
Шарнирные соединения рулевых тяг автомобилей являются основным элементами, регламентирующими надёжность рулевого привода [2]. Рабочие процессы в них характеризуются значительным количеством циклов относительного скольжения элементов шарнира. При этом особую важность приобретает фактор, учитывающий переход трения покоя в трение скольжения, когда преодолеваются "точки покоя". Последнее обстоятельство является причиной увеличения интенсивности изнашивания шарнира, несмотря на некоторое её ослабление из-за нестационарности процесса нагружения рулевого привода.
Для автомобилей с независимой передней подвеской нагружение рулевых шарниров определяется тремя факторами: рулевыми воздействиями водителя, колебаниями колёс относительно оси поворотной стойки и колебаниями подвески. При этом скорость движения способствует увеличению интенсивности возбуждений и при возрастании становится фактором, определяющим частоту и амплитуду колебаний колёс.
Из практики технической эксплуатации автомобилей известно, что наибольший износ имеют шарнирные соединения рычагов поворотных цапф и боковых рулевых тяг (крайние рулевые шарниры). Основная причина в том, что эти шарниры соединяют без упругих элементов неподрессоренную массу колёсного узла передней подвески и подрессоренную массу кузова. Это определяет интенсивные динамические нагрузки на элементы шарнира, частично воспринимаемые его пружиной.
Анализируя пространственное скольжение элементов рулевых шарниров, следует отметить, что характеристикой рабочих процессов являются путь трения и скорость относительного скольжения. Используя методику Фоллерта Людера для шарниров автомобилей МАЗ, и рассмотрев дополнительно процесс относительного перемещения элементов шарнира от колебаний подвески для исследуемых моделей, определим суммарный путь трения, отнесённый к площади трения с диаметром, равным диаметру шарового пальца, на 1000 км пробега для автомобилей ВАЗ.
Путь трения в случае имитации процесса основных угловых перемещений управляемых колёс случайной последовательностью, имеющей место от рулевых воздействий водителя, может быть определён:
 , | (20) |
где
- среднестатистический угол поворота шарового пальца, град;d - диаметр шарового пальца, мм.
Путь трения в случае имитации процесса основных угловых перемещений управляемых колёс гармоническим процессом, имеющем место при колебаниях управляемых колёс относительно оси поворотной стойки и при колебаниях передней подвески, может быть определён :
 , | (21) |
где n - число колебаний на 1 км пути;
- угол размаха, град.Так, относительная величина пути трения при движении на булыжном шоссе со скоростью 8,4 м/с определена следующим образом:
а) от рулевых воздействий водителя:
;б) от колебаний колес относительно оси поворотной стоки:
;в) от колебаний передней подвески:
.Результаты расчёта сведены в таблице 1. Исходные данные взяты из работы Гольда Б.В. [3], получены экспериментально.
Характеристикой рабочих процессов в рулевом шарнире является также, скорость относительного скольжения его элементов. Известно [6], что главными механизмами нарушения работоспособности рулевых шарниров являются окислительное, абразивное изнашивание и усталостное выкрашивание поверхностей трения. Кинематической характеристикой этих механизмов является средняя скорость скольжения шарового пальца в наконечнике рулевой тяги:
 . | (22) |
Таблица 1 Результаты расчёта относительных величин пути трения и скорости скольжения элементов шарниров рулевых тяг автомобилей ВАЗ-2105
| Характер нагружения рулевых шарниров | Скорость движения, м/с | Тип дорожного покрытия | Исходные данные для расчета | Относительная величина пути трения, м/1000 km | Относительная скорость скольжения, мм/с |
| Рулевоевоздействие водителя | 8,4 | асфальтобетон | nk=18,4,8 =8°20 | 13,26 | 1,45 |
| (30) | булыжное шоссе | nk=18,11,5 =8°20 | 31,77 | 3,46 | |
| 16,8 | асфальтобетон | nk=5,4,8 =2°20 | 0,92 | 0,12 | |
| (60) | булыжное шоссе | nk=5,11,5 =2°20 | 2,21 | 0,29 | |
| Колебания колёс вокруг оси поворотной стойки | 8,4 | асфальтобетон | fk=4, 1/c =0,1° | 36,84 | 57,84 |
| (30) | булыжное шоссе | fk=12, 1/c =0,1° | 110,52 | 173,52 | |
| 16,8 | асфальтобетон | fk= 2,5 1/c =0,15° | 17,23 | 27,11 | |
| (60) | булыжное шоссе | fk=8, 1/c =0,15° | 55,14 | 86,76 | |
| Колебания передней подвески | 8,4 | асфальтобетон | fk=3, 1/c = 2,8° | 386,04 | 1214,64 |
| (30) | булыжное шоссе | fk=8, 1/c = 2,8° | 1031,59 | 3239,03 | |
| 16,8 | асфальтобетон | fk= 1,6 1/cfk=3, 1/c = 2,8° = 3,6° | 102,95 | 416,45 | |
| (60) | булыжноешоссе | fk=3,5 1/c = 3,6° | 225,20 | 910,98 |
Максимальная скорость относительного перемещения трущихся деталей зависит от параметров и кинематики рулевого привода и может быть определена по рекомендации Фоллерта Людера:
 , | (23) |
где
- угловая скорость вращения шарового пальца; 
- максимальная амплитуда отклонения.Результаты расчёта относительной скорости скольжения шарового пальца в наконечнике для рассматриваемых условий приведены в таблице 1.
В этих условиях особую важность приобретает оптимальная жёсткость осевой пружины рулевого шарнира, которая должна превышать инерционные усилия, возникающие от массы рулевых тяг при движении с колебаниями.