Рулевое управление

Рулевое управление портального автомобиля состоит из рулевого механизма и рулевого привода.

Основные требования, предъявляемые к рулевому управлению, заключаются в получении минимального радиуса поворота, значительно меньшего, чем у обычных автомобилей, и обеспечивающего вписываемость автомобиля в полосу движения на перекрестках улиц и проездов складов, и малого усилия на рулевом колесе. Первое требование привело к созданию портальных автомобилей со всеми управляемыми колесами; второе — к использованию усилителей.

Для лучшей маневренности автомобиля, а главным образом для удобства наезда на груз необходимо, чтобы при повороте след задних колес совпадал со следом передних колес-

Уменьшение угла поворота управляемых колес до значений угла поворота ведущих управляемых колес значительно увеличивает радиус поворота. Поэтому выбор оптимального значения углов поворота колес представляет определенные трудности.

Степень совпадения колеи передних и задних колес автомобиля может быть выражена в виде отношения угла поворота управляемого ведущего а_ув колеса к углу поворота управляемого неведущего колеса а_ун (внутренних по отношению к мгновенному центру поворота):

Чем ближе это отношение к единице, тем лучше маневренность автомобиля, а следовательно, легче им управлять, особенно при наезде на груз. У большинства современных портальных автомобилей значение а_с близко или равно единице (а_с~0,8-М,0). У автомобилей с двумя задними управляемыми колесами след задних управляемых колес при повороте не совпадает со следом передних неуправляемых ведущих колес, что является недостатком этих автомобилей.

Рулевое управление относится к числу механизмов, от которых зависит безопасность движения. Поэтому к нему предъявляются такие требования, как надежность, легкость поворота, сохранение правильной кинематики привода при всех положениях управляемых колес, а также минимальное количество шарниров и точек смазки. Особое внимание должно обращаться на жесткость тяг, так как при работе они, как правило, испытывают продольный изгиб.

Принципиальные схемы рулевого управления

На рис. 113 показано несколько принципиальных схем рулевого управления, получивших наибольшее распространение на портальных автомобилях. Принципиальное различие приведенных схем заключается в количестве управляемых колес и наличии усилителей.

По схеме с четырьмя управляемыми колесами выполнено большинство портальных автомобилей. Эта схема, как было показано выше, обладает рядом преимуществ по сравнению со схемой с двумя управляемыми колесами. Недостатком схемы является большое усилие, необходимое для поворота четырех колес и трудность подвода крутящего момента к управляемым подрессоренным ведущим колесам, в связи с ограниченными углами поворота жестких карданов полуосевых передач. Конструктивные мероприятия, проведенные на портальных автомобилях последних моделей, позволили почти полностью ликвидировать эти недостатки. Если на портальных автомобилях, изготовлявшихся до середины 50-х годов, максимальный угол поворота ведущих управляемых колес ограничивался углом поворота стандартных жестких карданов с крестовиной полуосевых карданных передач и не превышал обычно 15°, то в настоящее время этот угол у большинства автомобилей увеличен до 25°, а в некоторых моделях даже до 35—40°.

Для снижения усилия на рулевом колесе на многих автомобилях с четырьмя управляемыми колесами применены различные усилители. Так, например, на всех отечественных автомобилях последних выпусков установлены гидроусилители.

В последние годы появились автомобили, у которых ведущие колеса могут в процессе эксплуатации отключаться водителем от рулевого привода. В этом случае изменение направления движения автомобиля осуществляется поворотом только двух управляемых (неведущих), как правило, передних колес. Отключение ведущих колес снижает не только усилие поворота,

Рис. 113. Принципиальные схемы рулевого управления автомобилей

но и износ шин и положительно сказывается на устойчивости автомобиля в связи с отсутствием тягового усилия на управляемых колесах, вызывающего дополнительный увод и усиливающего тенденцию к заносам.

Стремление уменьшить радиус поворота и сделать его независимым от привода полуосевой карданной передачи, увеличить проходимость и повысить устойчивость привело к созданию портальных автомобилей с задними управляемыми и передними ведущими колесами больших размеров. Для поворота автомобиля, выполненного по этой схеме, требуется гораздо меньшее усилие, чем при схеме с четырьмя управляемыми колесами. Поэтому на этих автомобилях гидро- и пневмоусилители не устанавливают. Схемы с шестью и более поворотными колесами у дорожных автомобилей встречаются довольно редко и применяются в основном у внедорожных портальных автомобилей большой грузоподъемности, предназначенных для перевозки крупногабаритных контейнеров.

Устройство рулевого привода

Каю видно из приведенных на рис. 113 схем, рулевой привод состоит из системы продольных и поперечных тяг, промежуточных маятниковых рычагов, а также рычагов поворота, закрепленных непосредственно на штоках подвески. В отличие от обычных автомобилей рулевой привод портальных автомобилей находится в лучших условиях, так как не может быть поврежден посторонними предметами, лежащими на дороге, и не так подвержен воздействию грязи и влаги, вымывающих смазку.

Поперечные рулевые тяги, попарно соединяющие рычаги поворота штоков, образуют рулевые трапеции, причем в отличие от обычных автомобилей роль балки управляемого моста у портального автомобиля выполняет рама шасси. В зависимости от расположения поперечных рулевых тяг относительно прямой, соединяющей оси штоков подвесок колес на портальных автомобилях различают задние или передние рулевые трапеции. Расположение рулевой трапеции выбирается из условий удобства компоновки. Рулевая трапеция может быть цельной (рис. 114) или расчлененной (рис. 115). Поперечная тяга расчлененной трапеции состоит из двух, реже трех частей, шарнирно связанных между собой. Чтобы не вызывать самопроизвольного поворота колес вследствие неодинаковой деформации упругих элементов подвески правых и левых колес, длину поперечной тяги целесообразно делать как можно большей. Поэтому при расчлененной трапеции маятниковый рычаг и кинематику рулевой трапеции выбирают с таким условием, чтобы за счет перекрытия тяг несколько удлинить длину каждой части тяги.

Применение той или иной схемы рулевого привода зависит от многих эксплуатационных и конструктивных параметров автомобиля. Так, например, при ширине портала более 2000 мм целесообразно применять расчлененную трапецию, так как при большей длине поперечной тяги невозможно обеспечить необходимые углы поворота наружных и внутренних колес. Кроме

того, поперечная тяга начинает терять устойчивость и пружинит, вызывая влияние управля-

Рис. 114. Рулевое управление автомобиля Т-60 с цельной рулевой трапецией и гидроусилителем:

1 и 3 — поворотные рычаги передних колес; 2 и 11 — поперечные рулевые тяги: 4 и 8 — продольные тяги; 5 — регулировочная муфта; 6 — гидроусилитель; 7 — кронштейн промежуточного рычага; 9 — верхняя полуосевая головка; 10 и 13 — поворотные рычаги задних колес;* 12 — промежуточный рычаг; 14 — тяга управления гидроусилителем; 15 — рулевой механизм; 16 — регулировочная головка поперечной рулевой тяги

емых колес. Это снижает устойчивость движения автомобиля и затрудняет управление им. Увеличение диаметра тяг повышает их вес, а следовательно, и вес неподрессоренных масс автомобиля.

Расчлененная рулевая трапеция применяется также на автомобилях, у которых рулевой механизм установлен близко к продольной оси автомобиля. В этом случае усилие от продольных тяг передается на трехплечий горизонтальный рычаг, соединяющий внутренние шарниры (концы) поперечных рулевых тяг. В зависимости от принятой общей схемы рулевого привода усилие на маятниковый рычаг или двуплечий рычаг поворота в схеме с цельной трапецией может передаваться от продольных тяг, соединенных с рулевым механизмом непосредственно (рис. 116), через промежуточные рычаги (горизонтальные или вертикальные) или через усилитель (рис. 117). В последнем случае рулевой механизм соединен с усилителем при помощи рулевой тяги, управляющей его распределительным устройством. Размеры и прочность тяги управления, кинематика рулевого привода и конструкция усилителя должны позво-

Рис. 115. Передняя расчлененная рулевая трапеция автомобиля Р. С. L.: 1 и 6 — поворотные ручагн; 2 и 5 — поперечные тяги; 3 — промежуточный рычаг; 4 — продольная тяга; 7 —гильза подвески; 8 — шток подвески; 9 — кронштейн промежуточного рычага; 10 — головка поперечной тяги

лять управлять автомобилем при выходе усилителя или его привода из строя (аварийный режим). Вполне естественно, что усилие, затрачиваемое на управление автомобилем, в этом случае будет больше допустимого.

Как правило, каждая пара управляемых колес соединяется поперечной рулевой тягой, образуя трапецию. Однако встречаются портальные автомобили (Кларк-Росс моделей S-93, S-95 и S-100), у которых при четырех управляемых колесах имеется только одна поперечная рулевая тяга, расположенная посредине автомобиля. В этом случае усилие от рулевого механизма через продольную тягу передается на левый горизонтальный рычаг, который соединен поперечной рулевой тягой с правым рычагом, образуя трапецию. От этих рычагов усилие через четыре продольные тяги, попарно размещенные по сторонам вдоль автомобиля, передается непосредственно на поворотные рычаги штоков подвески. При такой схеме рулевого привода усилие, приходящееся на поперечную рулевую тягу, возрастает вдвое по сравнению с усилием в обычной схеме с двумя попе-

Рис. 116. Рулевое управление автомобиля Валмет III—IV:

1 и 8 — поворотные рычаги; 2, 5 и 7 — продольные тяги; 3 — рулевой механизм; 4 — ограничительный винт; 6 — промежуточный рычаг; 9 — поперечная тяга

речными рулевыми тягами, но зато из-за того, что длина тяг, соединяющих горизонтальные рычаги с поворотными рычагами штоков, велика, уменьшается виляние управляемых колес.

Проектирование рулевого привода и выбор его элементов ^обычно производят с помощью графических построений, исходя из требований, предъявляемых к рулевым трапециям, и в предположении, что управляемые колеса абсолютно жесткие.

Кинематика и динамика автомобиля на повороте в значительной степени зависит от соотношения углов поворота управляемых колес, которое обеспечивается рулевой трапецией. Если не учитывать увода колес, то для того, чтобы колеса автомобиля на повороте катились без скольжения, рулевые трапеции должны обеспечивать следующие соотношения между углами поворота внешних (3 и внутренних а (по отношению к центру поворота) колес (рис. 118).

Продольные и поперечные тяги рулевых управлений портальных автомобилей снабжают шаровыми шарнирами, заимствованными у обычных автомобилей, вследствие чего зазоры в соединениях продольных тяг устраняются, а поперечные тяги допускают регулировку схождения колес изменением длины тяги.

Размещение и количество продольных рулевых тяг определяются принятым расположением рулевого механизма (левое

Рис. 118. Схемы поворота портальных автомобилей:

а — с четырьмя управляемыми колесами; б — с двумя управляемыми колесами

или правое), условиями компоновки автомобиля и кинематикой рулевого привода.

Для компенсации монтажных отклонений продольные тяги желательно снабжать регулировочными муфтами. Такие муфты с резьбой разного направления, соединяющие две половины одной тяги, использованы в рулевых приводах всех отечественных портальных автомобилей (см. рис. 114). Иногда регулировку длины продольной рулевой тяги производят одной из головок шарнира, для чего на ее хвостовике нарезают резьбу. Такая система более проста в изготовлении, но менее удобна в эксплуатации.

Передаточные числа рулевого управления

Важным параметром рулевого привода является угловое передаточное число г_п, которое зависит от соотношения плеч рычагов привода. В процессе поворота колес величина плеч рычагов изменяется, вследствие чего передаточное число рулевого привода, как правило, является непостоянным. В существующих конструкциях оно изменяется в пределах 0,80—1,2.

Угловое передаточное число рулевого управления (отношение угла поворота рулевого колеса к углу поворота

Основные данные рулевых управлений автомобилей t четырьмя управляемыми колесами

таксимальныи угол поворота колес в каждую сторону обычно не превышает 40—45° для неведущих управляемых колес и 20—35° для ведущих управляемых.

На портальнах автомобилях используют (как правило, без переделок) рулевые механизмы обычных автомобилей серийного или массового производства, передаточные числа которых лежат в пределах 20—26, т. е. поворот рулевого колеса у этих механизмов производится за 2,5—3 оборота в каждую сторону. Поэтому угловое передаточное число рулевого управления и находится в пределах 20—30 для неведущих управляемых колес и в пределах 25—60 для ведущих управляемых колес. Следовательно, портальные автомобили, у которых передние и задние колеса поворачиваются на разные углы, имеют два передаточных числа рулевого управления.

Основные данные рулевых управлений приведены в табл. 46 и 47.

Таблица 47

Основные данные рулевых управлений автомобилей с двумя задними управляемыми колесами

При подборе рулевого механизма автомобиля, в систему рулевого управления которого не включен усилитель, следует отдавать предпочтение рулевым механизмам с передаточным числом, имеющим минимальное значение при среднем положении рулевого колеса. Такой характер изменения передаточного числа должен обеспечить легкость управления автомобилем при маневрировании.

Силовое передаточное число рулевого привода i_v представляет собой отношение суммы сил сопротивления повороту управляемых колес к усилию на рулевом колесе, которое должно быть приложено к нему для преодоления указанных сил сопро

Уменьшение плеча обкатки с снижает момент действия сил сопротивления повороту и поэтому облегчает поворот. Сокращение плеча с уменьшает также момент, стремящийся вывернуть колесо при наезде на препятствие, а следовательно, и ту силу, которая нагружает рычаги, тяги и шарниры рулевого привода. Однако с уменьшением плеча обкатки увеличивается трение между шиной и поверхностью дороги. Значение с для каждой конструкции автомобиля устанавливают опытным путем, так как для шины данного профиля, обладающей определенной упругостью, существует некоторое определенное значение с, при котором требуется минимальное усилие для поворота. Как правило, величина плеча обкатки у автомобилей составляет 20—30 мм. В некоторых конструкциях для сокращения ширины автомобиля плечо обкатки отсутствует и ось штока подвески совпадает с центром опорной поверхности колеса. Однако таких конструктивных решений следует избегать, так как это повышает износ шин.

Величина силового передаточного числа рулевого привода у автомобилей колеблется в пределах 150—600. Меньшие значения относятся к ведущим, большие — к неведущим управляемым колесам. В том случае, когда требуется большее передаточное число, в систему рулевого управления включают усилитель, хотя его установку следует считать рациональной и при меньших передаточных числах, учитывая режимы эксплуатации портальных автомобилей.

Стабилизация управляемых колес

Устройство и установка управляемых колес, а также жесткие шины, применяемые на портальных автомобилях, не обеспечивают стабилизацию колес. Поэтому удержание их в заданном положении осуществляется только элементами рулевого привода. Однако в связи с наличием зазоров в приводе рулевого управления и упругостью тяг колеса при ударах и толчках о различные препятствия могут отклоняться от заданного направления даже при движении по ровной дороге. В среднем величина отклонения управляемых колес у некоторых отечественных портальных автомобилей при фиксированном положении рулевого механизма составляет 2,0—3,5°. Это ухудшает управляемость и устойчивость портального автомобиля, причем

установка усилителя не исключает полностью данного явления.

Ликвидировать самопроизвольное отклонение управляемых колес можно различными конструктивными мероприятиями. Одним из них является установка между упругим элементом и рамой стабилизаторов колес, выполненных в виде шайб с винтовыми скосами, образующими впадины и выступы (рис. 119). Верхняя шайба 5 неподвижно прикреплена к раме, а нижняя шайба 2 служит упором для верхнего конца пружины 6. Через внутреннее шлицевое отверстие нижней шайбы проходит шли-девой конец штока 4 подвески, с помощью которого осуществляется поворот колеса.

В положении, соответствующем прямолинейному движению автомобиля, выступы верхней шайбы находятся во впадинах

нижней, жестко фиксируя колесо в заданном положении. При повороте колеса шток, соединенный с нижней шайбой, плавно смещает выступы по винтовым скосам, поднимая раму на величину вертикального смещения шайб. Вследствие этого создается стабилизирующий момент, стремящийся повернуть колесо в -первоначальное положение. Так как при повороте внутренние колеса поворачиваются на больший угол, чем внешние, то при одинаковых углах наклона винтовых площадок шайб, величина подъема рамы над колесами будет различной — рама будет наклонена. Величина наклона небольшая (примерно 5—15'), что вполне допустимо для нормальной работы автомобиля.

При применении стабилизатора улучшается управляемость портального автомобиля, повышается его устойчивость и снижается износ шин, однако усилие, затрачиваемое на поворот, возрастает вследствие подъема рамы, а также наличия трения скольжения между шайбами стабилизатора. Это усилие можно уменьшить, заменив нижнюю шайбу вращающимися коническими роликами, оси которых закреплены в штоке подвески.

Усилители рулевого управления

При установке усилителей не только облегчается труд водителей, улучшается маневренность автомобиля, но и повышается безопасность движения, так как усилитель позволяет сохранять прямолинейное движение в случае резкого снижения дав

ления в шине или при ее разрыве, что имеет большое значение в связи с применением односкатных колес.

Для повышения безопасности движения необходимо, чтобы в случае прекращения действия усилителя (вследствие внезапного появления какой-либо неисправности в нем) сохранилась возможность управления автомобилем без каких-либо переключений.

Для рулевого управления портальных автомобилей используют в основном гидроусилители, а не пневматические. Это объясняется тем, что гидроусилитель более компактен, так как работает при больших давлениях (до 70 кГ/см²), чем пневмо-усилитель (9 кГ/см²). Время срабатывания его меньше. Гидроусилитель обеспечивает поглощение ударов от дорожных неровностей. Пневмоусилитель вследствие сжимаемости воздуха и большего времени срабатывания не поглощает ударов и не позволяет сохранить прямолинейного движения автомобиля в случае прокола шины. Кроме того, применение пневмоусилите-ля на портальных автомобилях без пневмотормозов вызывает необходимость установки компрессора, имеющего значительно больший вес и размеры, чем гидравлический насос, используемый для привода гидравлического усилителя.

Обычно усилители рулевого управления присоединяют к промежуточным рычагам, а в качестве трубопроводов для подачи жидкости к гидроусилителям почти на всех отечественных портальных автомобилях использованы тяги управления усилителем и тяги рулевого привода, которые соединены гибкими шлангами, для чего к ним приварены штуцеры. Это позволяет значительно сократить количество труб и одновременно повысить жесткость трубопроводов.

При проектировании привода насоса гидроусилителя должно быть соблюдено следующее основное условие: расчетная производительность насоса должна быть обеспечена при числах оборотов двигателя, превышающих число оборотов холостого хода не более чем на 25%. В первом приближении расход жидкости для привода гидроусилителя может быть определен по формуле

Для портальных автомобилей скорость перемещения поршня гидроусилителя должна соответствовать скорости вращения рулевого колеса (примерно один оборот в секунду).

Однако для нормальной работы гидроусилителя количество жидкости, подаваемой насосом, а следовательно, и его произ-

водительность должна быть на 5—10% больше расчетной. Это необходимо для того, чтобы обеспечить требуемую скорость движения поршней цилиндров гидроусилителя при некотором износе деталей насоса.

Теоретический расход воздуха для привода пневмоусилите-лей определяется по формуле

где р — давление воздуха в ресивере.

На практике выбирают компрессоры большей производительности.

Основные данные насосов гидроусилителей рулевого управления приведены в табл. 48.

Таблица 48

Основные данные насосов гидроусилителей рулевых управлений автомобилей

В связи с тем, что на всех портальных автомобилях усилитель рулевого управления является подрессоренным элементом, его вес и размеры не имеют столь существенного значения, как у обычных автомобилей. Поэтому на большинстве автомобилей применены гидроусилители с клапаном управления (распределителем) в крышке цилиндра. Их устанавливают параллельно продольным рулевым тягам и соединяют с рулевым механизмом при помощи тяги управления. В некоторых конструкциях распределительный клапан установлен непосредственно у рулевого механизма (рис. 120) и потоки рабочей жидкости или воздуха по трубопроводам направляются в ту или иную полость силового цилиндра усилителя, включенного в рулевой привод. Обратная связь колес и рулевого механизма осуществляется жесткой тягой, соединяющей промежуточный рычаг с клапаном управления.

Конструкция усилителей и их размещение в системе рулевого управления отличаются большим разнообразием. На рис. 114 и 117 показаны рулевые управления портальных автомобилей Т-60 и Т-150, гидроусилители которых заимствованы у автопогрузчиков, выпускаемых Львовским заводом. Эти гидроусилители, имеющие встроенные распределительные клапаны, передают усилие на вертикальный промежуточный маятниковый рычаг, соединенный с продольными тягами. Управление распределительным клапаном осуществляется рулевым механизмом, соединенным с клапаном жесткой тягой.

Рис. 120. Установка гидроусилителя рулевого управления с вынесенным клапаном (автомобиль Хайстер)': 1 — промежуточный рычаг; 2 — головка продольной тяги; 3 — гидроусилитель;

4 — передняя продольная тяга; 5 — кронштейн гидроусилителя.

В портальных автомобилях Шорланд рулевой механизм и усилитель рулевого управления совмещены в одном узле, от которого усилие жесткими тягами передается на промежуточные трехплечие рычаги передней и задней расчлененных трапеций.

Для предотвращения возникновения автоколебаний колес автомобиля, вызываемых гидроусилителем, необходимо обеспечивать жесткую связь его силового цилиндра.