Инструментальное и методологическое обеспечение экспериментальных исследований рулевого управления автотранспортных средств (стр. 6 из 10)

Для модели «ГАЗ-24» (рис. 6) зазоры в рулевых шарнирах проявляются при усилии около 25 даН, что зависит от конструктивных особенностей рулевого привода и переднего моста. Причём, ухудшение технического состояния увеличивает разрешающую способность интегрального показателя - критерия качества РП. Так, для автомобиля "ВАЗ 2103" с пробегом. 180 тыс. км, рулевой привод которого находится в аварийном состоянии, критерий качества РП показывает значительное превышение нормативных величин зазоров в подшипниках ступиц колёс и рулевых шарнирах, что следует из рисунка 7.

Рис. 6. Зависимость изменения смещений в РП от усилия между дисками УК для автомобиля «ГАЗ-24» с пробегом 25 тыс. км

Распространяя известный в аналитической механике метод виртуальных перемещений на кинематическую цепь РП, можно сделать вывод, что необратимые смещения проявляются для отдельных групп подвижных сопряжении последовательно, в соответствии с величинами коэффициентов приведения к радиусу диска управляемого колеса. Диапазон усилий до 30-40 даН для исследованных моделей автомобилей является достаточным для полной выборки зазоров в подвижных сопряжениях РП (при условии, что УК установлены на поворотные площадки) и соответствует среднеэксплуатационному диапазону нагружения РП.

Рис. 7.Экспериментальная зависимость изменения критерия качества РП ВАЗ-2103 с пробегом 180 тыс. км и аварийным состоянием РП

Отмечено, что для автомобилей рассматриваемого класса из-за наличия в правой (по ходу движения) половине рулевого привода маятникового рычага, который при деформации РП перемещается в вертикальной плоскости, жёсткость её несколько меньше жёсткости левой половины, что определило введение корректирующего коэффициента.

Исходные данные для определения работы, затрачиваемой в рулевом приводе на преодоление упругих деформаций и зазоров в подвижных сопряжениях РП, определялись по гистерезисным характеристикам смещений. Последние снимались при установке управляемых колёс в пять фиксированных положений на поворотных площадках и записи приращения расстояния между дисками УК от усилия между ними на прямом и обратном ходе подвижного штока силового цилиндра.

Гистерезисные характеристики смещений в РП позволили оценить влияние состояния различных групп подвижных сопряжении РП и его упругости на величину момента сил трения в РП и на характер изменения угла поворота управляемого колеса на величину смещений в РП в различных режимах нагружения рулевого привода.

Экспериментальные зависимости приращения расстояния между дисками управляемых колёс от усилия, созданного между ними впереди передней оси, построенны по результатам первого измерения (• – •), когда после создания начальных условий, т.е. предварительной деформации РП, проявляются обратимые и необратимые смещения, и третьего измерения (°°), когда проявляются только обратимые смещения, т.е. упругие деформации.

Гистерезисные характеристики для модели ВАЗ с пробегом 180 тыс. км, но с аварийным состоянием РП имеют вид (рис. 8).

Однако, в этом случае работа необратимых смещений достигает 52% всей затраченной, что в 2,3 раза больше работы, затраченной на преодоление обратимых и необратимых смещений в прямолинейном положении управляемых колёс первого автомобиля с пробегом 15 тыс. км. Некоторое увеличение работы для углов поворота УК 10° по сравнений с её значением для 5° объясняется формированием зазоров в шарнирах осей поворотных стоек и износом сайлент-блоков.

Таким образом, обратимые смещения играют положительную роль в гашении плавно нарастающих усилий в РП, вызванных действием макропрофиля дорожного полотна. Работа необратимых смещений компенсирует действие плавно нарастающих нагрузок, вызванных действием микропрофиля дорожного полотна и другими возмущениями. Это улучшает курсовую устойчивость движения и снижает утомляемость водителя.

Рис.8.Гистерезисные характеристики смещений в рулевом приводе от усилия в нём для различных угловых положений УК модели 2103 с пробегом 183 тыс. км и аварийным техническим состоянием РП

Однако возрастание величины смещений в РП отрицательно сказывается на управляемости автомобиля, резко увеличивая время переходных процессов между поворотами рулевого и управляемых колёс, затрудняя обеспечение заданной траекторий движения автомобиля и вызывая увеличение утомляемости водителя.

Кроме того, наличие необратимых смещений в РП создаёт благоприятные условия для возникновения автоколебаний УК и в совокупности с обратимыми смещениями - резонанса колебаний, снижая управляемость автомобиля и повышая износ шин. Это подтвердили дорожные испытания, а также выводы исследований: А.С. Литвинова и др.

Накопленные в лабораторных исследованиях статистические данные показали значительное влияние характеристик и состояния рулевых шарниров на критерий качества РП и формирование смещений в нём. Так, на рисунках 9 и 10 показаны изменения отмеченных ранее критериев состояния рулевых шарниров для выборки (50 ед.) новых (°°), и (22 ед.) снятых с эксплуатации (х – х) рулевых шарниров модели ВАЗ, построенные по величинам их математических ожиданий.

Рис.9. Зависимости изменения радиального смещения в рулевом шарнире от усилия для: I - новых (50 ед.) и 2 - изношенных (22ед) шарниров (по величинам математических ожиданий выборка)

Рис.10. Зависимость изменения момента сопротивления шарового пальца повороту от его углового положения в наконечнике тяги, т.е. стабильность для: I~ новых и 2 - изношенных шарниров

Из рисунка 9 следует, что заметное увеличение относительного радиального смещения элементов новых рулевых шарниров наблюдается при радиальном усилии большем 35 даН, в то время как для изношенных шарниров заметное увеличение смещения наблюдается yжeпри величине радиального усилия 10 даН и характер его изменения аналогичен такой же зависимости, но для рулевого привода в целом (рис. 10).

Отмечено также, что приложение радиального усилия к шаровому пальцу вызывает его одновременное осевое перемещение, т.е. «выжимание» из гнезда наконечника рулевой тяги, характер которого зависит от геометрии износа сопряжений рулевого шарнира. Осевое усилие пружины по мере износа шарниров уменьшилось в 3 раза, а зазоры возросли в 4,5 раза, причём наблюдались случаи поломки пружины при потере жесткости.

Важной характеристикой эксплуатационного состояния рулевых шарниров является момент сопротивления шарового пальца повороту и его стабильность, определяющие момент сил трения в РП. Так, из рисунка 10 следует, что момент сопротивления шарового пальца повороту для изношенных шарниров уменьшается в 9-10 раз, а его стабильность при повороте характеризует эллиптическую геометрию износа сопряжения по сравнению с новыми шарнирами, но стабильность отсутствует и для них.

Одномерный статистический анализ выборки новых рулевых шарниров показал, что дисперсия их характеристик значительна, кроме усилия отрыва шарового пальца и жёсткости пружины шарнира, коэффициент вариации которых составил, соответственно, 0,13 и.-0,12. Для моментов сопротивления шарового пальца повороту коэффициент вариации стабилен для всех четырёх положений и равен 0,50-0,54.

При этом статистические ряды основных характеристик, определяющих эксплуатационное состояние новых рулевых шарниров, т.е. момента сопротивления шарового пальца повороту и относительного радиального смещения соответствуют экспоненциальному закону распределения.

Одномерный статистический анализ выборки снятых с эксплуатации рулевых шарниров показал, что усилие отрыва шарового пальца уменьшается в 8 раз по сравнению с новыми шарнирами и в 2 раза по сравнению с жёсткостью пружины при ходе шарового пальца. Момент сопротивления шарового пальца повороту в сравнении с новыми шарнирами уменьшился в 15 раз, а нестабильность возросла в 2 раза.

Это свидетельствует о резком нарушении силового замыкания и является причиной интенсивного износа поверхности подвижных сопряжений. Причём радиальное смещение увеличилось с 0,118 до 0,417 мм, а его стабильность уменьшилась в 2 раза с увеличением усилия до 40 даН. Удовлетворительное согласие с экспоненциальным законом распределения наблюдалось для жёсткости пружины, радиальных и необратимых смещений.

Результаты парного корреляционного анализа характеристик и состояния новых/снятых с эксплуатации рулевых шарниров показали, что для новых шарниров относительно высокая степень корреляции характерна только между усилием отрыва пружины шарнира и её жёсткостью - до 0,833, при этом влияние линейного и нелинейного характера связей равнозначно. Также слабо (до 0,586) скоррелированы необратимые и относительные радиальные смещения элементов.

Для снятых с эксплуатации рулевых шарниров характерна теснота корреляционной связи, близкой к функциональной между необратимыми и относительными радиальными смещениями, причём более характерен нелинейный эффект. При этом, наблюдается уменьшение корреляционного отношения с 0,979 до 0,928 при увеличении радиального усилия с 20 до 40 даН.

Результаты множественного регрессионного анализа характеристик и состояния новых и снятых с эксплуатации рулевых шарниров ВАЗ показали, что для новых рулевых шарниров как относительные, так и необратимые радиальные смещения элементов рулевых шарниров слабо скоррелированы (до 0,699) с рассмотренными ранее характеристиками. Это значит, что в уравнениях регрессии не учтён ряд факторов, связанных с качеством сборки и дисперсией свойств новых рулевых шарниров.