книги / 818
.pdfУДК 656.13.021+629.3.027.2
Е.В. Поезжаева, П.В. Смолоногин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ
Рассмотрены разновидности исполнительных механизмов систем адаптивного управления, устанавливаемых на современных автомобилях. Приведены их основные кинематические схемы и параметры, раскрыты положительные аспекты применения адаптивных систем управления, описаны принципы рулевого управления, проведено сравнение видов волновых передач, применяемых в рулевых механизмах автомобилей.
Ключевые слова: рулевой механизм, волновая передача, безопасность.
Системы управления автотранспортными средствами развиваются в направлении повышения их адаптивности и оптимизации динамики движения, т.е. способности изменять свои параметры в зависимости от управляющих воздействий водителя и дорожных условий.
В обычных системах рулевого управления имеется прямая механическая связь между рулевым колесом и рулевым механизмом. Поэтому между углом поворота рулевого колеса и углом поворота управляемых колес существует четко установленное отношение. Изменяя геометрию зубчатого зацепления «рейка – вал-шестерня», можно получить рулевые механизмы с различным передаточным отношением. При таком подходе рулевой механизм конкретного автомобиля будет иметь единственное неизменное передаточное отношение. Выбор этого передаточного отношения всегда представляет собой компромисс, который зачастую обязан наилучшим образом удовлетворять противоречащим требованиям. На рис. 1 горизонтальная линия изображает характеристику передаточного отношения обычного рулевого управления с усилителем автомобиля Audi A4 без системы динамического рулевого управления.
Система адаптивного рулевого управления предназначена для изменения передаточного отношения рулевого механизма в зависи-
151
мости от скорости движения, корректирования угла поворота передних колес при прохождении поворотов и торможении на скользком покрытии.
Реализовать изменяемую характеристику удалось с помощью дополнительного электромеханического привода вала-шестерни рулевого механизма, который преобразовывает заданный водителем угол поворота рулевого вала (рис. 2).
Рис. 1. График характеристик передаточного отношения обычного рулевого управления и адаптивного от скорости (на примере автомобиля AUDI)
Рис. 2. Схема основных компонентов системы адаптивного управления
152
При неисправности или отказе этого привода рулевое управление работает как обычное рулевое управление.
Основным элементом активного рулевого управления является волновая передача, встроенная в рулевую колонку. Электродвигатель, который входит в состав системы, меняет угол поворота передних колес в зависимости от скорости автомобиля.
При движении на низких скоростях – например, в городе, на парковке или на извилистых горных дорогах – активное рулевое управление увеличивает угол поворота колес. Передние колеса немедленно реагируют даже на небольшое отклонение руля, позволяя водителю маневрировать на ограниченном пространстве без необходимости активно работать рулем. Процесс парковки также упрощается, так как маневренность возрастает.
Для обеспечения необходимой устойчивости движения на высоких скоростях рулевое управление теряет свою «остроту» – менее активно реагирует на поворот руля, что обеспечивает водителю возможность более точной работы рулем на высоких скоростях и способствует большей устойчивости и комфорту. Если автомобилю грозит потеря устойчивости, например, в результате избыточной поворачиваемости или торможения на дороге с разными коэффициентами сцепления, блок управления, руководствуясь показаниями датчиков, идентифицирует проблему и дает команду активному рулевому управлению исправить ее.
Альтернативное решение нашла Toyota, оснастившая системой
VGRS (Variable Gear Ratio Steering) (рис. 3) дорогие автомобили Lexus.
Рис. 3. Схема рабочих элементов системы VGRS от Toyota
153
Для изменения передаточного отношения вместо планетарной передачи они использовали волновую, изобретенную еще в 1955 г. американским инженером Уолтоном Массером.
Волновая передача, в общем понимании, это механизм, в котором движение между звеньями передается перемещением волны деформации гибкого звена. Волновая зубчатая передача содержит гибкое колесо с внешними зубцами, выполненное в виде тонкостенного цилиндра, соединенного с тихоходным валом, жесткое колесо с внутренними зубьями, соединенное с корпусом, и генератор волн, состоящий из гибкого подшипника, напрессованного на овальный кулачок. Цель деформации гибкого колеса – получить большое число одновременно зацепляющихся зубьев и повысить нагрузочную способность.
Конструкция волновой передачи, использованной компанией Lexus, заключается в следующем: в одну шестеренку с внутренними зубцами вставлена другая – гибкая с немного меньшим диаметром и числом внешних зубцов. А внутрь всей этой конструкции помещен овальный кулачок, который деформирует гибкую шестерню, обеспечивая ее прижим к внешнему кольцу в двух диаметрально противоположных местах (рис. 4).
Рис. 4. Механизм АРУ, используемый в Lexus
Вращение этого кулачка (он еще называется генератором волн) вызывает смещение точек контакта шестерен, а вместе с этим и их медленный поворот относительно друг друга. Остается только присоединить входной и выходной вал к шестерням, обеспечить электропривод кулачка – и механизм динамического изменения передаточного отношения готов.
154
Рис. 5. Механизм АРУ, используемый в AUDI
Другой автомобильной компанией, оснастившей свои автомобили адаптивным рулевым управлением, является «Ауди» (AUDI). Автомобиль Ауди A4 2008 модельного года – первый из модельного ряда Audi, который получил динамическое рулевое управление (рис. 5).
Система динамического рулевого управления позволила устранить недостатки, присущие традиционным рулевым механизмам с постоянным передаточным отношением. Исполнительный механизм представляет собой волновую передачу, один из элементов которой приводится электродвигателем. Характерной особенностью этого механизма является преобразование высокой частоты вращения, например электродвигателя, в очень низкую. Общий принцип работы состоит в том, что в зацеплении находятся две шестерни с различным числом зубьев. В примененном для создания динамического рулевого управления механизме электродвигатель приводит шестерню со 100 зубьями, которая особым образом входит в зацепление с шестерней, имеющей 102 зуба. Рулевой вал, напрямую связанный с рулевым колесом, при динамическом рулевом управлении также связан с валомшестерней рулевого механизма. Связь осуществляется через волновой редуктор. Гибкий стакан посажен на шлицы верхней части рулевого вала (с которой напрямую также связано рулевое колесо). Гибкий стакан является чашеобразной деталью с тонкими и потому гибкими, упругодеформируемыми стенками. На его корпусе имеется наружный
155
зубчатый венец из 100 зубьев. Гибкий стакан входит в зацепление с колесом с внутренним зубчатым венцом из 102 зубьев. Это колесо жестко связано с нижней частью рулевого вала и через нее с валомшестерней. При повороте рулевого колеса гибкий стакан и втулка поворачиваются вместе, так как связаны зубчатым соединением (соединение работает как шлицевое типа вал-ступица). При такой схеме работы рулевой механизм работает обычным образом (без изменения передаточного отношения).
Применение волновых передач в редукторах адаптивного рулевого управления получило большее распространение, чем применение планетарных. Преимуществами волновых передач по сравнению с планетарными являются:
–сравнительно малый вес (меньше на 30–40 %);
–сравнительно меньшие габариты (до 50 %). Применение планетарной передачи в адаптивном рулевом управлении означает использование дополнительно червячной передачи, что существенно увеличивает габариты всего исполнительного механизма;
–необратимость (!) передачи – не нужен стояночный тормоз. Однако для обеспечения еще большей безопасности в случае серьезных повреждений (срезание зубьев на гибком колесе) исполнительный механизм оснащается блокировкой;
–высокое передаточное отношение в одну ступень (от 55 до 500) Но и среди волновых передач можно выделить подвиды, которые
имеют определенные преимущества по сравнению друг с другом. Волновая передача, применяемая компанией Lexus, это волновая передача
сдвухвенцовым коротким гибким колесом, неподвижным жестким колесом и вращающимся жестким колесом (волновая зубчатая передача
сволновой зубчатой муфтой) (рис. 6).
Такая передача имеет значительно меньшие осевые габариты по сравнению с простыми волновыми, но и меньшие КПД и нагрузочную способность. Такую передачу можно преобразовать в простую волновую, сделав равными числа зубьев гибкого венца и неподвижного жесткого корончатого колеса (см. рис. 4). В этом случае вместо зацепления получится зубчатое соединение. Такая передача будет иметь меньшие осевые габариты, но на 20–25 % меньший КПД и в 2 раза меньшую нагрузочную способность.
156
Рис. 6. Волновая зубчатая передача с волновой зубчатой муфтой: 1 – генератор волн; 2 – гибкое колесо; 3 – жесткое колесо, соединенное с выходным валом
Компания AUDI использует в исполнительном механизме адаптивного управления волновую передачу с упругой муфтой (рис. 7).
Рис. 7. Волновая передача с упругой муфтой
Ее преимуществом является больший КПД по сравнению с волновой передачей с зубчатой муфтой. Недостаток – нерациональное использование пространства. В одноступенчатой волновой передаче на всем протяжении работы остается пустым пространство между генератором волн и вертикальной стенкой гибкого стакана. Оно служит для предотвращения преждевременного усталостного разрушения материала гибкого колеса и увеличения КПД передачи в целом, но увеличивает габариты исполнительного механизма.
Однако цилиндрические волновые передачи имеют ряд недостатков: во-первых, это образование трещин усталости и поломка гибкого колеса вдоль впадин зубьев. Во-вторых, разрушение подшипников качения генератора волн, а также проскок генератора волн при больших
157
вращающих моментах. В-третьих, износ зубьев, обращенных к заделке гибкого колеса, наблюдается у всех волновых передач при нормальной работе. Учитывая эти факторы, следует отдавать предпочтение рациональным параметрам волновой передачи, а именно: передаточное отношение – в пределах от 70 до 320 и ,следовательно, КПД – в пределах от 0,85 до 0,75.
Помимо цилиндрических, существует еще и торцевая волновая передача, известная по авторским свидетельствам В.П. Смолоногина. Принцип действия ее заключается в следующем: генератор волн, расположенный на входном валу и имеющий форму диска, несет на себе по периметру с одной стороны ряд промежуточных тел качения. С другой стороны расположен тонкий диск, имеющий с одной стороны зубчатый венец, за счет которого он входит в зацепление с зубьями, расположенными в корпусе редуктора. Вращаясь, промежуточные тела качения перемещаются поступательно и тем самым прижимают тонкий диск к зубьям, расположенным на корпусе. За счет разного количества зубьев на диске и на корпусе происходит относительное перемещение этого диска, закрепленного на выходном валу, и корпуса, который неподвижен. Преимуществом редуктора с такой передачей в первую очередь является плавность и бесшумность в работе, компактность, а также меньшее усталостное разрушение упругого элемента. А за счет использования в такой передаче зубьев специальной формы, спроектированной для торцевой передачи, достигается меньшая концентрация напряжений между зубьями, за счет чего срок службы значительно увеличивается вместе с другими техническими характеристиками передачи.
Преимущества динамического рулевого управления значительны. Во взаимодействии с системой ESP и ее датчиками динамическое рулевое управление позволяет избежать аварий в критических дорожных ситуациях.
С помощью целенаправленного изменения угла поворота передних колес динамическое рулевое управление поддерживает работу системы ESP, чтобы параметры динамики движения автомобиля не вышли за допустимые пределы. Это дает два важных преимущества. Во-первых, улучшается курсовая устойчивость автомобиля благодаря одновременному воздействию ESP на тормозные механизмы и рулевое управление, то есть значительно повышается активная безопасность. Это особенно важно на высоких скоростях (>100 км/ч), так как в этом
158
случае динамическое рулевое управление имеет преимущество благодаря малому времени реакции. Во-вторых, в отдельных критических дорожных ситуациях можно частично или даже полностью отказаться от подтормаживания колес, это позволяет сделать процесс поддержания курсовой устойчивости более гармоничным и комфортным. При аналогичной курсовой устойчивости уменьшение подтормаживания колес и использование подруливания улучшает маневренность автомобиля, позволяет быстрее двигаться на дорогах с малым коэффициентом трения (например, по снегу). Система ESP использует динамическое рулевое управление при избыточной и недостаточной поворачиваемости автомобиля, а также при торможении на дорожных покрытиях с разными коэффициентами трения под правыми и левыми колесами, что повышает комфорт и безопасность при езде.
Список литературы
1.Активное рулевое управление – BMW АВТОПОРТ [Электрон-
ный ресурс]. – URL: www.bmw-avtoport.ru/auto/xbmw/x5security/1/3/ (дата обращения: 1.02.2012).
2.BMW. Технический справочник: активное рулевое управление
(Active Steering.) [Электронный ресурс]. – URL: www.bmw.ru/ru/ru/insights/technology/technology_guide/articles/mm_active_steering.html (дата обращения: 1.02.2012).
3.BMW X5 Secutiry Plus: динамика движения. Активное рулевое управление [Электронный ресурс]. – URL: www.bmw-bmz.ru/ru/ru/secu- rity/x5plus/active_steering.html (дата обращения: 2.02.2012).
4.Volkswagen Technical Site: Программа самообучения 402. AUDI Service Training. Динамическое рулевое управление в автомобиле
Audi A4’08 [Электронный ресурс]. – URL: http://volkswagen.msk.ru http:// vwts.info http://vwts.ru. (дата обращения: 3.02.2012).
Получено 28.02.2012
159
УДК 624.078.45:621.791
А.Ю. Шлепетинский, К.П. Манжула
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН С ОСТРЫМ НЕПРОВАРОМ
Представлена методика построения объемной модели сварного соединения проушины с гнутым листом металла при наличии в шве острого непровара. Определены распределения коэффициентов интенсивности напряжения (КИН) по фронту непровара для двух расчетных случаев; эквивалентные КИН и углы, определяющие направление развития разрушения.
Ключевые слова: коэффициент интенсивности напряжений, непровар, сварное соединение, объемная модель, трещина.
В металлоконструкциях строительных машин последнее время часто стали использоваться сварные соединения, в которых один из листов согнут под определенным углом, а второй разделан по форме сгиба. Подобные соединения встречаются в конструкциях рукоятей экскаваторов – проушины под палец крепления штока гидроцилиндра (рис. 1, б, позиция G), грейферов – проушины шарнирных узлов (рис. 2) и т.п. Толщина привариваемой проушины к гнутому листу в ряде случаях достигает значительных размеров, что приводит к трудностям при выполнении полного провара соединения. В таких случаях оценка допустимости непровара может существенно снизить стоимость выполнения соединения. Оценивать напряженно-деформированное состояние (НДС) при разных векторах нагружения удобнее всего на компьютерных моделях.
Моделирование подобных соединений в плоской постановке не позволяет учитывать влияние геометрии в целом. Определение характеристик разрушения сварного соединения с острым непроваром предпочтительно проводить на объемной модели. Конструктивно-техноло- гический непровар с толщиной менее 0,5 мм между свариваемыми листами, называемый острым, представляем в виде готовой макротрещины, а периметр непровара – фронтом исходной трещины.
160