Конструирование и расчет рулевого управления с шестеренным механизмом. Учебно-методическое пособие

быть причиной серьезной травмы водителя при лобовом столкновении.

Существуют травмобезопасные рулевые валы различных конструкций.

Требования. Поглощение энергии удара.

Устройство. Рулевой вал состоит из трех валов, связанных карданными шарнирами (складывается) или энергопоглощающий элемент представляет собой резиновую муфту, установленную между частями рулевого вала.

Иномарки. Сильфон – соединяющий рулевой вал с рулевым колесом. Или рулевой вал сделан из перфорированной трубы.

Японский фонарик. Две части рулевого вала соединяют при помощи нескольких привариваемых продольных пластин (деформирующихся при ударе).

2.5.Требования к рулевым механизмам

Кконструкциям рулевых механизмов предъявляют следующие специальные требования:

•высокий КПД в прямом направлении (при передаче усилия от водителя) для облегчения управления автомобилем при поворотах.

•несколько пониженный КПД в обратном направлении, передаваемых от управляемых колес к водителю, для снижения силы толчков, при наезде на неровности;

•обратимость рулевой пары, для лучшей стабилизации управляемых колес;

•заданный характер изменения передаточного числа рулевого механизма, для улучшения удобства при управлении автомобилем;

•минимальное количество регулировок;

•травмобезопасность рулевого вала, с тем чтобы при лобовом ударе рулевой вал не был причиной травмы водителя.

2.6.Классификация рулевого механизма

•Шестеренные

-реечный

11

- редукторный

•Червячные

-червячно-роликовый

-червячно-секторный

•Винтовые

-винтореечный

-винторычажный

•Кривошипные:

-двух-шиповый

-одно-шиповый

2.7.Основные показателем рулевых механизмов

КПД рулевого механизма. От КПД рулевого механизма в значительной степени зависит легкость управления.

Прямой КПД. Прямой КПД рулевого механизма при передаче усилия от рулевого колеса и сошке:

где Мтр1 - момент трения рулевого механизма, приведённый к рулевому колесу;

Мрк - момент, приложенный к рулевому колесу. Обратный КПД. Обратный КПД характеризует

обратимость рулевого механизма, т.е. передачу усилия от сошки к рулевому колесу:

ηрм ↓ = (1- Мтр2)/Мвс,

где Мтр2 - момент трения рулевого механизма, приведенный к валу сошки;

Мвс - момент на валу сошки, подведенный от управляемых колес.

Чем меньше обратный КПД, тем меньше сил действует на рулевое колесо, возникающий под действием случайных боковых сил, действующих на управляемые колеса.

Как обратный КПД, так и прямой КПД зависят от устройства конструкции зубчатых зацеплений рулевого механизма и имеют следующие значения:

ηрм ↑ = 0,6...0,95; ηрм ↓ = 0,55 ..0,85.

Снижение ударов и толчков на рулевое колесо.

12

Резкие удары и толчки, передающиеся водителю из рулевого колеса, могут стать причиной потери автомобилем управляемости.

Для снижения обратного КПД, т.е. для уменьшения или исключения возможности передачи толчков водителю принимаются следующие изменения:

•увеличивают передаточное число рулевого механизма в нейтральном положении управляемых колес;

•уменьшают плечо от пятна контакта управляемого колеса до оси поворота управляемого колеса;

•увеличивают податливость рулевого управления (должно быть найдено оптимальное значение, так как при большой податливости элементов рулевого управления запаздывает реакция управляемых колес на управляющее воздействие – поворот рулевого колеса);

•применяют амортизирующие механизмы в рулевом управлении;

•устанавливают рулевой гидроусилитель, воспринимающий и поглощающий толчки и удары от управляемых колес.

Передаточное число рулевого механизма. Передаточное

число рулевого механизма – это отношение элементарного угла поворота рулевого вала к элементарной величине перемещения рейки или к элементарному углу поворота вала сошки. В зависимости от конструкции рулевого механизма оно может быть переменным в процессе поворота рулевого колеса или постоянным. Это обеспечивает устойчивость движения автомобиля при высоких скоростях, т.к. малый угол поворота рулевого колеса не вызывает резкий поворот управляемых колес.

3. РУЛЕВОЙ ПРИВОД

Назначение. Рулевой привод обеспечивает соотношения между углами управляемых колес и для передачи усилия к управляемым колесам от рулевого механизма при повороте автомобиля.

Устройство. Рулевой привод состоит из тяг с шарнирами и системы рычагов:

• продольной тяги,

13

•поперечной тяги,

•сошки

•поворотных рычагов.

Продольные рычаги и поперечная тяга совместно с балкой моста образуют рулевую трапецию. В ряде автомобилей устанавливают рулевой усилитель.

3.1 Основные элементы рулевого привода

Рулевая трапеция. В зависимости от компоновочных возможностей, рулевые трапеции бывают:

-передняя рулевая трапеция –перед передней осью.

-задняя рулевая трапеция – расположенные за передней осью.

1.При независимой подвеске – применяют трапеции с расчлененной поперечной тягой.

2.При зависимой подвеске колес – применяют трапеции только с цельной поперечной тягой.

Поперечная тяга. Для ее изготовления применяют обычно бесшовную трубу, на резьбовые концы навертывают рулевой тяги (наконечники) с шаровыми пальцами. Длина должна быть регулируемой, т.к. она определяет схождение колес.

Продольная тяга. Связывает поворотный рычаг с сошкой, применяется главным образом при зависимой подвеске.

Кинематические перемещения подвески и продольной тяги должны быть согласованы, чтобы исключить самопроизвольный поворот автомобиля при переезде через неровности дороги, т.е. при деформации упругих элементов подвески.

3.2Требования к рулевому приводу

Крулевому приводу предъявляют следующие требования:

•правильное соотношение углов поворота управляемых колес;

•отсутствие самопроизвольного поворота колес при колебаниях автомобиля на не ровной дороге.

3.3Соотношение углов поворота управляемых колес

При повороте автомобиля векторы скоростей центров всех

колес перпендикулярны радиусам, проведенным из центра поворота (рис. 3.1.).

14

Из равенства (3.1) следует, что колесо, внутреннее по отношению к центру поворота, должно быть повернуто на больший угол, чем внешнее.

Чтобы обеспечить требуемое соотношение между углами поворота управляемых колес, их соединяют рулевой трапецией.

Однако точного выполнения равенства (3.1) трапеция не обеспечивает.

Поэтому при проектировании трапеции считают достаточным,

•если при значениях (θв = 5...8°) расхождение между теоретическим и действительным значениями (θн) не превышает (12...15'),

•а при (θв = 25...30°) - не более (3°).

При углах поворота до 12...15° зависимость θн = f(θв) близка к линейной, что позволяет вместо углов θв и θн использовать в расчетах средний угол θ, равный их полусумме.

Если на автомобиле установлены эластичные в поперечном направлении шины, то векторы скоростей центров колес не совпадают со средними плоскостями колес.

Изменяется также и соотношение углов поворота управляемых колес, которые обеспечивают качение их без бокового скольжения.

В этом случае выражение (3.1) принимает следующий вид:

(3.2)

где, kyв1 и kув2 – коэффициенты сопротивления уводу соответственно переднего и заднего мостов, Н/рад;

т1 и т2 – массы, отнесенные соответственно к переднему и заднему мостам, кг.;

V – скорость автомобиля.

Из сопоставления формул (3.1) и (3.2) следует, что у автомобиля с эластичными шинами по мере увеличения скорости должно изменяться также соотношение углов поворота колес.

Однако это может быть достигнуто только при автоматическом регулировании рулевого привода, введение которого усложнит конструкцию автомобиля.

16

4. НАГРУЗОЧНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ РЕЖИМЫ

4.1 Методы расчета

При движении автомобиля на детали рулевого управления действуют нагрузки, величина и характер зависит от взаимодействия колес с дорогой, воздействием водителя на органы управления и другими факторами. Механизмы и узлы автомобиля в условиях эксплуатации должны быть надежными в работе и обладать заданной работоспособности.

Надежность – свойство автомобиля, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Работоспособность – свойство автомобиля, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативнотехнической документацией.

Безотказность – свойство автомобиля непрерывно сохранять работоспособность в течение определенного интервала времени или некоторой наработки.

Долговечность – свойство автомобиля сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

Усилия, вызывающие напряжения в деталях конструкций, могут быть:

•постоянными (сила тяжести груза, пассажиров, собственно автомобиля);

•переменными:

o при трогании автомобиля с места; o при торможении автомобиля;

oусилия, вызванные погрешностями при изготовлении деталей;

o изменения режимов работы; o наличия сил сопротивления o динамических воздействий.

17

Долговечность механизмов, деталей и агрегатов автомобиля зависит от величины и времени действия часто повторяющихся нагрузок, а условий эксплуатации данного автомобиля. Долговечность автомобиля обусловлена также жёсткостью конструкции, так как деформации картеров, валов и опор вызывают перекосы, нарушающие точность расположения сопряженных деталей, что может привести к повышенной концентрации напряжений и сохранению срока службы деталей.

Внешняя форма деталей, снижающая повышенную концентрацию напряжений, а также оптимальные размеры деталей и сечений создают условия для достижения необходимой долговечности. Улучшенная обработка рабочих поверхностей, применение высококачественных материалов, различных упрочняющих способов обработки поверхностей, обработка антикоррозионными покрытиями, использование надежных уплотнений, высококачественных смазочных материалов и другие мероприятия способствуют повышению долговечности. Студент должен оценивать выбранные мероприятия с точки зрения снижения себестоимости изготовления узла, конструкции и, наконец, автомобиля в целом.

В курсе «Сопротивление материалов» студент получил сведения:

•о статической прочности деталей, которые способны сопротивляться разрушению под действием кратковременных максимальных нагрузок,

•об усталостной прочности – способности деталей сопротивляться разрушению под влиянием многократно

повторяющихся нагрузок.

Усталостное разрушение возможно при сжатии и растяжении, изгибе и кручении, при их раздельном или совместном действии.

Контактная прочность является разновидностью усталостной прочности – способность рабочей поверхности сопротивляться разрушению под действием контактных напряжений сжатия или сдвига, многократно возникающих в процессе эксплуатации (например, на поверхности зуба шестерни, шарика и беговой дорожки подшипника и др.).

18

Детали и агрегаты автомобиля должны обладать износостойкостью, т.е. способностью сопротивляться изменению размеров и форм под действием нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации.

Для оценки прочности деталей автомобиля используют расчетные и нагрузочные режимы, но это осложняется тем, что в процессе его эксплуатации изменяется:

•дорожные условия,

•скорости движения,

•интенсивность разгона,

•интенсивность торможения (ускорение и замедления),

•величины полезной нагрузки в кузове автомобиля,

•усилия на крючке (для автопоезда) и т.п.

На основании испытаний автомобиля, при трогании с места в тяжелых дорожных условиях с использованием кинетической энергии маховика и резком включении сцепления установлена, что максимальный момент на ведущем валу коробки передач превышает максимальный момент двигателя в 3,0…3,5 раза и момент сцепления в 1,5…2,0 раза.

В трансмиссии автомобиля могут возникать значительные моменты инерции при торможении, особенно при торможении трансмиссионным тормозом.

Между ведущими колесами и трансмиссионным тормозом нет предохранительного звена в виде фрикционного элемента, поэтому больше моменты инерции при резком трогании могут привести к разрушению деталей трансмиссии.

Как показывают результаты экспериментов, при торможении трансмиссионным тормозом при скорости всего лишь 15 км/ч момент на карданном валу превышает момент по сцеплению колеса с дорогой на сухом асфальте в 2,6 раза.

Введение в трансмиссию гидротрансформатора обеспечивает разрыв жёсткой связи значительных инерционных масс двигателя, колес и поступательно движущейся массы автомобиля, снижает динамические нагрузки в трансмиссии автомобиля почти в 2 раза. Однако широкого применения гидротрансформатор пока не нашёл из-за низкого его КПД, связанного с большими энергетическими потерями в круге

19

циркуляции «насос – турбина – реактор – насос» (0,82…0,85). КПД ступенчатых коробок передач 0,96…0,98.

Из всего разнообразия нагрузок, действующих в шасси автомобиля, следует выбрать расчётные, которые в значительной степени характеризуют статическую прочность деталей.

4.2 Расчетные режимы

Преобладающими расчетными режимами будут:

•первый расчетный режим

•второй расчетный режим

•третий расчетный режим

а) первый расчетный режим – по максимальному крутящему моменту двигателя. Расчетный крутящий момент на каком-то валу трансмиссии равен.

здесь, Мемах – максимальный крутящий момент двигателя, взятый с внешней скоростной характеристики (тяговый расчет автомобиля);

Uтр – суммарное передаточное число до рассчитываемой детали.

Расчет трансмиссии по первому расчетному режиму дает условные величины напряжений. Эти напряжения меньше напряжений, возникающих при пиковых нагрузках, но превышают напряжения, наблюдаемые при эксплуатационных нагрузках. Расчет по первому режиму может быть использован для сравнительных проверочных расчетов.

Коэффициент запаса прочности nm=2,0…3,0, т.е.

= m / n m ; (Мпа)

здесь, m - предел текучести выбранного материала;

nm – допускаемое нормальное напряжение.

б) второй расчетный режим – по максимальному сцеплению ведущих колес с дорожным покрытием. Расчетный крутящий момент на каком-то валу трансмиссии равен.

Мр = Rzi * φмах * rk / Uтр; (Н*м)

здесь, Rzi – нормальная реакция дороги на колеса соответствующих мостов, Н;

20