10) Максимальный поворот рулевого колеса должен ограничиваться только устройствами, предусмотренными конструкцией автомобиля;

11) Применение в рулевом механизме и рулевом приводе деталей со следами остаточной деформации, с трещинами и другими дефектами не допускается;

12) травмобезопасность, исключающую травмирование водителя при любых столкновениях автомобиля.

Соответствие конструкции рулевого управления предъявляемым требованиям зависит от правильного выбора параметров рулевого управления, рулевого механизма и рулевого привода.

В соответствии с требованиями Европейских директив 70/311/EWG система рулевого управления должна обеспечивать легкое, безопасное управление автомобилем. Максимально допустимое время срабатывания и рабочее усилие для полностью работоспособной системы рулевого управления приведены в табл. 1.



Таблица 1

Нормы рабочих усилий в системе рулевого управления

Класс автомобиля	Полностью работоспособная система управления	Неисправная система рулевого управления
	Максимальное рабочее усилие, Н	Время,с	Радиус поворота,м	Максимальное рабочее усилие, Н	Время,с	Радиус поворота, м
N1 N2 N3	200 250 200	4 4 4	12 12 12	300 400 450	4 4 6	20 20 20

Требованиям функционирования системы рулевого управления являются: максимально возможное демпфирование колебаний, передаваемых от колес автомобиля на рулевое колесо при движении по неровным дорогам, однако демпфирование колебаний не должно приводить к потере обратной связи в рулевом управлении. Основные кинематические параметры должны удовлетворять условиям Аккермана: при поворотном движении оси передних левого и правого управляемых колес должны пересекаться с осью задних колес в одной точке. За счет имеющейся жесткости системы рулевого управления (особенно когда используется резино-металлические соединения) автомобиль должен реагировать на самые малые повороты рулевого колеса. При отпускании руля, колеса должны автоматически возвращаться в положение прямолинейного движения. Система рулевого управления должна иметь как можно меньшее передаточное отношение в рулевом приводе для обеспечения быстроты управления. Необходимое усилие на рулевом колесе определяется не только передаточным отношением в рулевом приводе, но и нагрузкой на переднюю управляемую ось автомобиля, радиусом поворота, параметрами подвески колес и состояние протекторов шины .

Правила ЕЭК ООН № 79 устанавливают требования к конструкции рулевых механизмов транспортных средств категорий М, N и О. Механизм рулевого управления должен обеспечивать простое и надежное управление транспортным средством на всех скоростях до его максимальной конструктивной скорости. Он должен самостоятельно возвращаться в нейтральное положение в ходе соответствующих испытаний. Рулевое управление должно быть сконструировано таким образом, чтобы при движении по прямой исключалась необходимость заметной корректировки водителем направления движения, а придвижении с максимальной конструктивной скоростью отсутствовала повышенная вибрация системы рулевого управления. Перемещение органов рулевого управления и управляемых колес должно осуществляться синхронно. Механизм рулевого управления должен быть сконструирован, изготовлен и установлен таким образом, чтобы при нормальных условиях эксплуатации одиночного транспортного средства или автопоезда он выдерживал возникающие нагрузки.

Применение усилителя рулевого управления позволяет сохранить заданное направление движения в случае внезапного разрыва шины переднего колеса при большой скорости автомобиля, уменьшает утомляемость водителя, особенно на горных и лесных дорогах, смягчает удары со стороны неровностей дороги на рулевое колесо.

Стабилизация управляемых колёс и сохранение заданного водителем направления движения обеспечиваются при проектировании путем правильного выбора углов установки управляемых колёс и шкворней и обеспечения их регулировок во время эксплуатации автомобиля.

Типы рулевых механизмов

Рулевым называется механизм, преобразующий вращение рулевого колеса в поступательное перемещение рулевого привода, вызывающее поворот управляемых колес автомобиля.

Рулевой механизм служит для увеличения усилия водителя, прилагаемого к рулевому колесу, и передачи его к рулевому приводу.

Увеличивать усилие водителя необходимо для облегчения управления автомобилем. Увеличение усилия, прилагаемого к рулевому колесу, происходит за счет передаточного числа рулевого механизма.

Передаточное число рулевого механизма зависит от типа автомобиля и составляет для различных автомобилей 15...25. Такие передаточные числа за один-два полных оборота рулевого колеса обеспечивают поворот управляемых колес автомобиля на максимальные углы, равные 35...45°.

Поворот управляемых колес с небольшим усилием на рулевом колесе обеспечивает рулевой механизм, который состоит из рулевой передачи или рулевой пары, размещенной в картере рулевого вала, который может состоять из двух или трех частей, соединяемых карданными шарнирами, и рулевого колеса. В зависимости от типа рулевой передачи рулевые механизмы могут быть червячными, зубчатыми, винтовыми. Наибольшее распространение получили червячные рулевые механизмы.

Зубчатые рулевые механизмы делятся на шестеренчатые и реечные. Шестеренчатые рулевые механизмы изготовляют в виде редуктора зубчатых колес или в виде пары из шестерни и рейки.

Реечный рулевой механизм прост по конструкции, компактен, но он применялся только на легковых автомобилях без усилителя, из-за большого значения обратного КПД Усилитель поглощал толчки и удары со стороны дороги.

Винтовые рулевые механизмы по конструкции могут быть винторычажными и винтореечными. На грузовых автомобилях и автобусах используют винтореечные механизмы линовидной формы, зубья в них нарезаны параллельно оси вала сошки.

Винторычажные рулевые механизмы в настоящее время применяют редко, так как они имеют низкий КПД и значительный износ, который невозможно компенсировать регулированием.

Рулевой механизм должен характеризоваться; отсутствие люфта во всех элементах при движении по прямой, низким трением, высокой жесткостью, возможностью осуществления регулировок. По этой причине в настоящее время наибольшее распространение получило только два типа рулевых механизмов, это червячный и реечный рулевые механизмы.

Червячный рулевой механизм

автобус рулевой тормозной автотранспортный

Червячные рулевые механизмы применяются на легковых, грузовых автомобилях и автобусах, и имеют следующие разновидности: червячно-роликовые и червячно-секторные.

Наибольшее распространение из них имеют червячно-роликовые рулевые механизмы, состоящие из червяка и ролика. Червяк имеет форму глобоида - его диаметр в средней части меньше чем по концам. Такая форма обеспечивает надежное зацепление червяка с роликом при повороте рулевого колеса на большие углы. Ролики могут быть двух или трехгребневыми. Двухгребеневые ролики применяются в рулевых механизмах легковых механизмов, трехгребневые - грузовых автомобилей и автобусов.

Червячно-роликовые рулевые механизмы имеют небольшие размеры, надежны в работе и просты в обслуживании. Их КПД достаточно высокий (0,85 при передаче усилий от рулевого колеса на управляемые колеса и 0,7 - от управляемых колес к рулевому колесу), поэтому усилия водителя, затрачиваемые на преодоление трения в рулевом механизме невелики.

Червячно-секторные (червячно-спироидные) рулевые механизмы получили меньшее распространение и применяются только на грузовых автомобилях. Рулевая передача этих механизмов состоит из цилиндрического червяка бокового сектора со спиральными зубьями, который выполнен совместно с валом рулевой сошки. Механизмы имеют небольшое давление на зубья при передаче больших усилий и небольшое изнашивание. Однако из-за наличия трения скольжения их КПД низкий и равен 0,7 и 0,55 соответственно при передаче усилия от рулевого колеса и обратно.

Главной и единственной задачей червячной пары является преобразование вращения руля, находящегося в руках водителя, в поворот рулевой сошки в соответствующем направлении. После этого усилие передается на рулевой привод и далее непосредственно на передние колеса автомобиля.

Червяк и ролик, образующие червячную пару, находятся в постоянном зацеплении и расположены в картере. При этом червяк размещен на нижнем конце рулевого вала, а ролик Ї на валу рулевой сошки. Когда водитель вращает руль, ролик скользит по зубьям червяка, соответственно, вращается вал рулевой сошки.

Усилия возникающие между винтом и гайкой рулевой передачи, передаются через ряд циркулирующих шариков, снижающих трение. Гайка воздействует на вал сошки через зубчатый сектор. Это рулевой механизм позволяет получать переменное передаточное отношение.

Реечный рулевой механизм

Принципиальным отличием рулевого механизма реечного типа является то, что вместо червячной пары в нем используется пара шестерня Ї рейка. Когда водитель поворачивает руль в ту или иную сторону, вращается шестерня, которая соответствующим образом поворачивает находящуюся с ней в зацеплении рейку. Рейка передает это усилие на рулевой привод и затем на передние колеса.

Реечный рулевой механизм (рис.1. б) располагается в алюминиевом кратере, где на подшипниках установлен вал-шестерня, находящаяся в зацеплении с рейкой. Рейка прижимается к шестерне металлокерамическим упором, который поджат размещенной в пробке пружиной. Таким образом, обеспечивается без зазорное зацепление шестерни с рейкой по всему ее ходу. Ход рейки в одну сторону ограничивается напрессованным на нее кольцом, в другую сторону втулкой резинометаллического шарнира тяги. Полость картера защищена от грязи резиновым гофрированным чехлом. Вал рулевого управления соединен с валом шестерней упругой муфтой. На верхней части вала, которая вращается в подшипнике качения, на шлицах крепится рулевое колесо через демпфер, служащий для повышения безопасности.

Передаточное отношение механизма определяется отношением числа оборотов шестерни, равное числу оборотов рулевого колеса, к расстоянию перемещения рейки. За счет соответствующе нарезки зубьев на рейке имеется возможность получения переменного передаточного числа при перемещении этой рейки. Это дает возможность уменьшить действующей в приводе силы или перемещение рейки для коррекций в работе привода.

Прямая передача, высокая жесткость и КПД являются положительными сторонами данного механического рулевого управления, которое стало практически стандартом в мировом автомобилестроении, начиная с малого класса до среднего.

Соединение рулевого механизма с управляемыми колесами автомобиля требует всего несколько деталей. С зубчатой рейкой, в центре рулевого управления, соединено по одной поперечной рулевой тяге слева и справа, которые воздействуют на поворотные рычаги передней подвески.

Реечный рулевой механизм прост по конструкции, компактен, имеет наименьшую стоимость по сравнению с рулевыми механизмами других типов. КПД механизма очень высок (0,9…0,95), приблизительно одинаков в обоих направлениях.

Из-за большого значения обратного КПД реечные рулевые механизмы без усилителя устанавливались лишь на легковых автомобилях особо малого и малого классов, так как только на этих автомобилях они способны поглощать толчки и удары, которые передаются от дорожных неровностей на рулевое колесо.

На разрабатываемом автомобиле мы применили реечный рулевой механизм. Простота соединения рулевого механизма с управляемыми колесами, прямая передача усилия, высокая жесткость и наибольшее значение КПД, а равномерное собственное демпфирование повышают точность рулевого управления и обеспечивают грузовику лучшую маневренность, а водителю -- более легкое руление и, следовательно, дополнительный комфорт.

Усилители рулевого управления

Рулевым усилителем называется механизм, создающий под давлением жидкости или сжатого воздуха дополнительное усилие на рулевой привод, необходимое для поворота управляемых колес автомобиля.

Усилитель служит для облегчения управления автомобилем, повышения его маневренности и безопасности движения. Он также смягчает толчки и удары дорожных неровностей, передаваемых от управляемых колес на рулевое колесо. Усилитель значительно облегчает работу водителя. При его наличии водитель прикладывает к рулевому колесу усилие в 2 -- 3 раза меньшее, чем без усилителя, а для поворота грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности и автобусов требуется усилие до 400 Н и более. Это весьма существенно, так как из всей затрачиваемой водителем энергии на управление автомобилем до 50 % приходится на рулевое управление.

Маневренность автомобиля с рулевым усилителем повышается вследствие быстроты и точности его действия. Безопасность движения повышается потому, что в случае резкого понижения давления воздуха в шине переднего управляемого колеса при проколе или разрыве шины при наличии усилителя водитель в состоянии удержать рулевое колесо в руках и сохранить направление движения автомобиля. Однако наличие усилителя приводит к усложнению конструкции рулевого управления и повышению стоимости, к увеличению износа шин, более сильному нагружению деталей рулевого привода и ухудшению стабилизации управляемых колес автомобиля. Кроме того, наличие усилителя на автомобиле требует адаптации водителя.

Рулевые усилители применяют на легковых автомобилях, грузовых автомобилях средней и большой грузоподъемности и на автобусах. Наибольшее распространение получили гидравлические, пневматические и электрические усилители рулевого управления. Принцип действия гидравлических и пневматических усилителей аналогичен, но в них используется различные рабочие вещества: в гидравлических -- масло (турбинное, веретенное), а в пневматических -- сжатый воздух пневматической тормозной системы автомобиля.

Гидравлический усилитель рулевого управления

Из всех автомобилей с усилителями 90 % оборудованы гидравлическими усилителями. Они очень компактны, имеют малое время срабатывания (0,2... 2,4 с) и работают при давлении 6... 10 МПа. Однако требуют тщательного ухода и особо надежных уплотнений, так как течь жидкости приводит к выходу их из строя. Гидроусилитель имеет основные элементы -- гидронасос с бачком, гидрораспределитель и гидроцилиндр (рис.2).

Гидронасос является источником питания, гидрораспределитель -- распределительным устройством, а гидроцилиндр -- исполнительным устройством. Гидронасос, приводимый в действие от двигателя автомобиля, соединен нагнетательным и сливным маслопроводами с гидрораспределителем, который установлен на продольной рулевой тяге, прикрепленной к поворотному рычагу управляемого колеса. Внутри корпуса гидрораспределителя находится золотник, связанный с рулевым механизмом.

Водитель поворачивает руль, колеса сопротивляются - торсион закручивается тем сильнее, чем больше усилие на руле. Золотник открывает каналы и направляет масло в исполнительное устройство. В механизме типа «винт - шариковая гайка» большее давление подается или за поршень, или до него, помогая тому перемещаться вдоль рулевого вала.

А в реечном механизме масло подается в корпус рейки - в ту ил иную сторону от поршня, связанного с рейкой и подталкивает ее вправо или влево.

Когда рулевое колесо повернуто до упора, срабатывают предохранительные клапаны, сбрасывая давление масла и сохраняя детали механизма от повреждения.

Рис. 2. Гидроусилитель руля:

1 - реактивный плунжер; 2 - пружина; 3 - плунжер; 4 - поршень-рейка; 5 - винт; 6 - золотник

Гидроусилитель представляет собой закрытую систему циркуляции жидкости (гидронасос, бак с жидкостью и соединительные шланги) в комплексе с блоком распределения давления и гидроцилиндром. Вышедшее из гидроцилиндра масло рециркулирует вновь и вновь. Выделяют шланги высокого и низкого давления. По первым масло движется от насоса к гидроцилиндру, а по вторым -- вновь возвращается из гидроцилиндра в масляный бак и оттуда снова поступает в насос.

Особенности функционирования ГУР:

При отсутствии усилия на рулевом колесе (руль неподвижен) диаметр выпускных отверстий распределителя находится в промежуточном положении. Масло беспрепятственно циркулирует от насоса к гидроцилиндру и обратно по системе соединительных шлангов. Таким образом, энергия двигателя тратится исключительно на перегонку масла по замкнутому кругу. Никакую функцию ГУР в это время не выполняет, так как колеса не поворачиваются.

Обязательным условием нормальной работы ГУР является герметичность системы, наличие достаточного объема масла и фильтра.

Поэтому владельцы автомобилей с гидроусилителями должны время от времени контролировать уровень масла в системе, натяжение приводного ремня насоса и своевременно заменять масла и фильтры (используя рекомендованные производителем марки масел).

На сегодняшний день гидроусилитель представляет собой сложную и довольно капризную конструкцию, которая имеет определенные недостатки:

? Требует ухода и обслуживания.

? Колебания температуры изменяют физические свойства масла и влияют на эффективность устройства в целом.

? Потребляет мощность двигателя, даже когда фактически не используется.

? Невозможность сочетать высокий усиливающий момент с хорошей информативностью руля.

Под давлением ГУР представляет собой герметичный картер, внутри которого находится управляющий клапан и поршень-рейка. Этот поршень соединен винтовой передачей с рулевым валом и своей зубчатой рейкой с шестерней на валу, передающем усилие на рулевую рейку или сошку. С картером ГУР через патрубки соединен насос с расширительным бачком. В традиционных простых системах привод насоса осуществляется через ремень от двигателя. В более современных насос ГУР приводится отдельным электромотором - такие усилители называют электрогидравлическими усилителями (ЭГУР). Работает система так. Пока руль находится в положении «прямо», управляющий клапан также пребывает в среднем положении, и рабочая жидкость перекачивается через него. При повороте же руля в ту или иную сторону клапан перемещается, и жидкость начинает давить на поршень, создавая усилие на валу. В обычных ГУР это усилие постоянно и не зависит от скорости движения автомобиля. Отсюда удобный на парковочных маневрах руль с ГУР оказывается “жидким“ и нечетким на скорости. Поэтому современные системы ЭГУР, кроме электромотора, имеют управляющий электронный блок, который, исходя из данных скорости автомобиля, рассчитывает нужную величину создаваемого усилия.

Основная “потребительская жалоба“ на рулевое с ГУР - “ руль стал вращаться с большим трудом“. Причин тому может быть несколько. Чаще всего - это подтекание рабочей жидкости, которое возникает, как правило, по валу насоса, задней крышке насоса, сальникам и уплотнителям рулевой рейки или рулевого механизма. Также это может вызываться и слабым натяжением или износом приводного ремня насоса. Если машина уже имеет значительный пробег, то причиной “утяжеления“ руля может быть и механический износ насоса - признаком этого является характерный шум, появляющийся при вращении рулевого колеса. От износа страдает и прочая механика, отчего появляются такие типичные проблемы, как, прежде всего, специфическое скрипение ГУР, люфты и стуки, неодинаковое усилие при вращении руля в разные стороны, заедание (закусывание) руля при вращении, стуки и повышенные люфты в рулевой рейке или механизме.

Однако тут стоит отметить, что вибрации, угловые колебания руля, как правило, не говорят о неисправностях ГУР, и их причину стоит искать первым делом в подвеске и углах “развала-схождения“, а также в дефектах колесных дисков и резины.

У электрогидравлических усилителей могут случаться и проблемы с электроникой. Основные признаки ее неисправности - “несогласованность“ усилия со скоростью, когда руль оказывается слишком “легким“ при движении на больших скоростях либо, наоборот, не становится “легче“ на парковке.

В целом, оценивая ГУР по стойкости, можно назвать его вполне надежным и живучим агрегатом. В старых машинах это устройство, конечно, может сильно потрепать владельцу нервы своими постоянными скрипами и тугим ходом, но все же внезапные и полные отказы ГУР - большая редкость. Если же это произошло, то причину первым делом надо искать в обрыве ремня (особенно в случае, если до того агрегат работал вполне исправно). Кстати, и ехать с отказавшим ГУР тоже можно, правда, только в аварийном режиме, поскольку усилие на руле оказывается весьма значительным - оно намного больше, чем на такой же машине без ГУР.

На станцию для первичной диагностики неисправностей ГУР на оснащенных сервисах используют специальный стенд - люфт-детектор. Он позволяет выяснить, что причиной шума, скрипа, тугого хода, люфта и т.п., на которые жалуется владелец, является ГУР. Ведь если при подтекании жидкости все сразу понятно, то с посторонними шумами и люфтами сложнее. Они могут относиться к другим частям рулевого, и проблема тогда будет заключаться в износе рулевых втулок, плохой затяжке рулевых тяг, люфте наконечников рулевых тяг, люфте реактивной тяги, а также износе ШРУС. Дополнительно для ЭГУР подвергают тестированию и электронику - подключив компьютерный стенд через специальный разъем, считывают коды ошибок.

После того как установлено, что причина неисправности в ГУР, производится его снятие и полная разборка для точного выявления и последующего устранения неисправностей. Здесь основными видами работ при ремонте оказываются замена сальника, уплотнителей, подшипника, турбины и лопаток насоса, управляющего клапана, а также восстановление валов.

Электроусилитель рулевого управления

Электроусилитель (Рис.3.) отличается тем, что непосредственно на рулевом вале установлен электродвигатель с блоком управления и датчиком крутящего момента. Когда водитель поворачивает руль, датчик воспринимает крутящий момент и подает сигнал электродвигателю, который и вращает рулевой вал в заданную сторону. Современные технологии уже сделали ЭУР мощными и компактными, так что их установка не требует дополнительного пространства -- они компактнее традиционных ГУР.

Кроме того, ЭУР анализирует обороты двигателя и скорость автомобиля. На основании данных о скорости блок управления изменяет мощность электродвигателя -- на малых скоростях он работает с максимальной нагрузкой, в то время как на высоких -- с минимальной. Многие автомобили позволяют отсоединять блок ЭУР от датчика скорости (режим работы «City» включается кнопкой из салона автомобиля), таким образом заставляя усилитель работать с максимальной эффективностью и «облегчать» руль.

Рис. 3. Электроусилитель рулевого управления

При повороте руля датчик ЭУР регистрирует параметры вращения торсионного вала. Блок управления ЭУР получает данные о скорости автомобиля и оборотах двигателя и запускает электродвигатель.

Последней своей работой помогает водителю поворачивать колеса в нужную сторону.

Электроусилитель по сравнению с гидроусилителем позволяет экономить 3-5% топлива, так как он требует затрат энергии в основном в парковочных и низкоскоростных режимах и только в процессе вращения рулевого колеса.

Перспективность направления подтверждается мировой тенденцией перехода от гидро к электро усилителям руля.

Пневматические усилители руля

Пневматические усилители в настоящее время применяются ограниченно. Их применяют в основном на грузовых автомобилях большой грузоподъемности с пневматической тормозной системой. Пневматический усилитель включается в работу водителем только в тяжелых дорожных условиях.

Пневматические усилители проще по конструкции, чем гидравлические, так как используют оборудование тормозной пневматической системы автомобиля. Но имеют большие габаритные размеры, что связано с невысоким рабочим давлением (0,6... 0,8 МПа), и значительное время срабатывания (в 5 --10 раз большее, чем у гидравлических), что приводит к меньшей точности при управлении автомобилем в процессе поворота.



Разработка потребительских свойств подвески

Подвеска - одна из самых важных систем в каждом автомобиле. Качество подвески, ее возможности и конструктивные особенности предопределяют не только уровень комфорта для водителей и пассажира, но и значительно влияют на стоимость обслуживания и ремонта автомобиля.

При выборе автомобиля обращают свое внимание не только на его дизайн, статусность, мощность двигателя, но и на конструкцию подвески. Разумеется, человек, покупающий внедорожник, по определению выбирает автомобиль с подвеской, возможности которой позволяют использовать машину на бездорожье той или иной степени. Однако конструкций подвесок существует множество, и даже в рамках одного автомобильного класса различные автопроизводители могут предлагать модели с самыми различными возможностями подвески.

Подвеска представляет собой совокупность механизмов - рычагов, пружин, амортизаторов, ступиц и так далее - связывающую колеса с кузовом, позволяющую им катиться, препятствующую кренам автомобиля и гасящую вибрации. Благодаря наличию подвески водитель и пассажиры чувствуют себя комфортно, и помимо этого, подвеска положительно влияет на устойчивость и управляемость автомобиля, на плавность хода.

В общих характеристиках различных подвесок наиболее часто встречаются слова "независимая" и "зависимая", при этом чаще всего речь идет о превосходстве независимой над зависимой. А на самом деле каждая из подвесок - и “независимая” и “зависимая” - обладает и своими достоинствами и недостатками.

Полузависимые подвески, которые обычно применяются для задних колес на недорогих переднеприводных моделях, в сравнении с независимыми конструктивно проще и дешевле. Однако и автомобили, оснащаемые подобной конструкцией, быстроходностью и отточенной управляемостью не отличаются. Зависимые подвески используются на тяжелых профессиональных внедорожниках. Иными словами - в условиях бездорожья зависимые подвески, простые, не усложненные системами рычагов, практически “неубиваемы”, однако, с другой стороны, на асфальте они ведут себя не лучшим образом.

Также нужно отметить, что в настоящее время ведутся разработки принципиально новых подвесок, в которых вместо привычных пружин и амортизаторов используются линейные электродвигатели.В любом случае, подвеска является одной из важнейших систем автомобиля. От ее характеристик зависит не только комфорт автомобиля, но и финансовое благополучие его владельца - согласно статистике элементы подвески служат одной из главных причин поломки автомобиля и обращения в сервис - соответственно, являются одной из основных статей расходов автовладельца.

Обзор литературных источников

Подвеской называется совокупность устройств, осуществляющих упругую связь колес с несущей системой автомобиля (рамой или кузовом).

Подвеска служит для обеспечения плавности хода автомобиля и повышения безопасности его движения .

Плавность хода - эксплуатационное свойство автомобиля, обеспечивающее ограничение вибронагруженности водителя, пассажиров, грузов, элементов шасси и кузова в диапазоне эксплуатационных скоростей на уровне, при котором не возникают неприятные ощущения и быстрая утомляемость у людей и повреждения грузов и элементов конструкции автомобиля.

Подвеска повышает безопасность движения автомобиля, обеспечивая постоянный контакт колес с дорогой и исключая их отрыв от нее.

Подвеска разделяет все массы автомобиля на две части - подрессоренные и неподрессоренные.

Подрессоренные - части, опирающиеся на подвеску: кузов, рама и закрепленные на них механизмы.

Неподрессоренные - части, опирающиеся на дорогу: мосты, колеса, тормозные механизмы.

Любая современная подвеска состоит из пяти отличающихся, хотя и взаимосвязанных, частей:

· направляющего элемента, который определяет все перемещения колеса;

· стабилизаторов поперечной устойчивости

· упругих элементов, которые воспринимают энергию удара, когда колесо наезжает на неровность, и затем отдают ее обратно;

· гасящих устройств;

· устройства крепления, с помощью которых рычании, пружины и амортизаторы присоединяются к кузову автомобиля.

На автомобилях в зависимости от их класса и назначения применяются различные типы подвесок (рис. 20)



Рис. 20. Типы подвесок

К подвеске автомобиля предъявляются требования, в соответствии с которыми подвеска должна:

· обеспечивать высокую плавность хода автомобиля;

· обладать высокой динамической энергоемкостью;

· эффективно гасить колебания кузова и колес автомобиля при движении;

· кинематическая схема должна создать условия для возможного малого изменения колеи и углов установки колёс, соответствие кинематики колес кинематике рулевого привода, исключающее колебания управляемых колес, вокруг оси поворота;

· иметь минимальную массу неподрессоренных частей.

· иметь достаточную прочность и долговечность деталей подвески и особенно упругих элементов, относящихся к числу наиболее нагруженных частей подвески.

Выполнение этих требований зависит от типа и конструкции подвески и ее направляющего, упругого, гасящего и стабилизирующего устройств.

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к подвеске, и выполнение их.

Плавность хода. Для получения высокой плавности хода подвеска должна обеспечивать колебания кузова автомобиля (подрессоренной массы) с низкой частотой, равной 0,8 ... 1,2 Гц для легковых автомобилей. Такие частоты соответствуют уровню колебаний человека при ходьбе и являются наиболее приемлемыми для организма.

Подвеска также должна обеспечивать наименьшие перемещения и ускорения колебаний кузова, иначе даже при небольших частотах колебаний может произойти укачивание пассажиров. С увеличением частоты колебаний даже небольшие ускорения колебаний кузова могут вызвать неприятные или болезненные ощущения (табл. 2).

Таблица 2

Ускорения колебаний, вызывающие неприятные и болезненные ощущения

Частота колебаний, Гц	Ускорения колебаний, м/с , вызывающие ощущения
	неприятные	болезненные
1,0 1,5 2,0 3,0	2,3 2,1 1,9 1,7	2,7 2,5 2,3 2

Плавность хода автомобиля можно оценивать по упругой характеристике подвески.

Упругая характеристика подвески. Упругой характеристикой подвески (рис. 2) называется зависимость между вертикальной нагрузкой и прогибом подвески, измеренным по перемещению колеса.

Рис. 21. Упругая характеристика подвески

По упругой характеристике подвески можно определить следующие параметры: статический прогиб подвески fст, динамический прогиб подвески при ходе колеса вверх fд.в и вниз fд.н жесткость подвески сп, коэффициент динамичности kд.

При снижении жесткости подвески уменьшается частота колебаний подрессорной массы и повышается плавность хода автомобиля. Это достигается применением независимой подвески, жесткость которой меньше, чем у зависимой подвески. Кроме того, независимая подвеска позволяет увеличить ход колес вверх и вниз, что также повышает плавность хода автомобиля и работоспособность подвески.

Энергоемкость подвески. Энергоемкость подвески характеризуется коэффициентом динамичности.

Коэффициент динамичности представляет собой отношение максимальной нагрузки, которая может передаваться через подвеску, к статической нагрузке на подвеску.

При небольшом коэффициенте динамичности наблюдаются частые пробои подвески (удары в ограничители), а при больших его значениях подвеска будет очень жесткой, особенно при колебаниях с большой амплитудой и ограниченном значении динамического хода колес.

При движении автомобиля по неровной дороге динамические нагрузки, передаваемые через подвеску, будут вызывать редкие удары в ограничители при следующих коэффициентах динамичности: kд = 2 ... 3 для автомобилей ограниченной проходимости.

Значение коэффициента динамичности и энергоемкость подвески определяют по упругой характеристике подвески. Заштрихованная площадь на упругой характеристике (см. рис. 21) характеризует динамическую энергоемкость подвески. Она соответствует наибольшей потенциальной энергии, запасенной подвеской при наезде на дорожную неровность. Чем выше динамическая энергоемкость подвески, тем меньше вероятность ударов в ограничители хода колес при движении по неровной дороге и, следовательно, выше плавность хода автомобиля.

Для того чтобы подвеска обеспечивала высокую плавность хода и обладала высокой динамической энергоемкостью, она должна иметь нелинейную упругую характеристику, т.е. подвеска должна быть прогрессивной. Нелинейная упругая характеристика при ограниченном ходе колеса обеспечивает небольшую жесткость подвески при статической нагрузке и прогрессивное возрастание жесткости с увеличением нагрузки на подвеску.

Для обеспечения оптимальной низкой частоты собственных колебаний кузова при переменной нагрузке автомобиля необходимо сохранять постоянный статический прогиб подвески, что возможно только при изменении ее жесткости. При этом жесткость подвески должна изменяться пропорционально нагрузке, приходящейся на подвеску.

Нелинейная упругая характеристика подвески может быть получена различными конструктивными способами. К ним относятся следующие:

* установка упругого устройства подвески (пружины, торсиона) в предварительно нагруженном состоянии и применение двух ограничителей хода колеса вверх и вниз (буферов сжатия и отдачи). Изменение жесткости подвески в этом случае происходит плавно. Такой способ получения нелинейной характеристики применяют в передних независимых подвесках автомобилей;

* применение в рессорах дополнительных нижних листов значительно большей кривизны, чем у верхних листов. В этом случае нижние листы выполняют функции подрессорника, обеспечивая более плавное увеличение жесткости подвески при полной статической нагрузке. Этот способ используют в задних зависимых подвесках автомобилей;

* применение дополнительного упора (буфера), позволяющего изменять рабочую длину рессоры в зависимости от ее прогиба. Жесткость подвески изменяется ступенчато. Такой способ получения переменной эффективной длины рессоры используется в передних зависимых подвесках грузовых автомобилей и задних зависимых подвесках автомобилей;

Гашение колебаний. Для обеспечения высокой плавности хода подвеска должна эффективно гасить колебания (т. е. быстро уменьшать их амплитуду) кузова и колес автомобиля. При высокой плавности хода за один период свободных колебаний амплитуда перемещений кузова должна уменьшаться в 3 - 8 раз.

Гашение колебаний автомобиля происходит в результате действия в подвеске трения, которое различно по своей природе и может быть жидкостным (в гидравлических амортизаторах), сухим (в рессорах и шарнирах подвески) и межмолекулярным (в шинах и резиновых деталях подвески).

Кинематика управляемых колес. При движении автомобиля по неровностям дороги происходит изменение положения колес по отношению к кузову и поверхности дороге вследствие упругой связи колес с кузовом и наличия упругих устройств в подвеске.

В этом случае подвеска должна обеспечивать правильную кинематику управляемых колес при их вертикальных перемещениях (колебаниях), т.е. перемещение колес без изменения колеи с сохранением требуемых углов их установки.

Кинематика передних управляемых колес считается правильной, если угол б наклона колеса при максимальном его подъеме не превышает 5…6° а изменение колеи ДВ компенсируется yпругостью шины колеса. Эластичные шины легковых автомобилей допускают изменение колеи до 4....5 мм на каждом колесе без бокового проскальзывания колес по поверхности дороги.

При правильной кинематике колес предотвращается нарушение управляемости и устойчивости автомобиля, а также обеспечиваются наилучшая стабилизация управляемых колес и наименьшее изнашивание шин.

Правильная кинематика колес определяется типом подвески и её направляющим устройством. От направляющего устройства подвески зависят изменение колеи и стабилизация управляемых колес, правильная кинематика рулевого привода (независимость вертикальных перемещений управляемых колес и их поворота вокруг шкворней) и боковой крен кузова.

При зависимой подвеске (рис. 22) правильную кинематику управляемых колес невозможно обеспечить полностью. При наезде колес на дорожную неровность их колея не остается постоянной, а изменяется, что может вызвать нарушение условий качения колес (боковое скольжение).

В этом случае также происходит перекос переднего моста автомобиля. Управляемые колеса наклоняются и изменяется положение оси их вращения, что приводит к возникновению гироскопического момента Мгх, который действует в горизонтальной плоскости и поворачивает управляемые колеса вокруг шкворней. Поворот колес вокруг шкворней вызывает возникновение другого гироскопического момента Мгz, который действует в вертикальной плоскости и стремится увеличить перекос переднего моста и наклон управляемых колес.



Рис. 22. Кинематические схемы подвесок:

а - зависимая подвеска, б-е - независимая подвеска

Перекос моста вызывает колебания (влияние) управляемых колес вокруг шкворней, а колеса в свою очередь увеличивают перекос моста. Следовательно, обе колебательные системы связанные между собой и влияют друг на друга. Возникающие в этом случае колебания управляемых колес вокруг шкворней непрерывно повторяются (самовозбуждаются), являются устойчивыми и наиболее опасными. Эти колебания могут привести к потере управляемости и нарушению безопасности движения автомобиля.

Колебания управляемых колес вокруг шкворней совершаются с высокой и низкой частотами. Колебания высокой частоты (более 10 Гц с амплитудой не более 1,5…2 мм) происходят в пределах упругости шин и рулевого привода. Они не передаются водителю и не нарушают управляемость автомобиля, так как поглощаются в рулевом управлении. Однако высокочастотные колебания вызывают дополнительное изнашивание шин и деталей рулевого привода, повышают сопротивление движению автомобиля и увеличивают расход топлива.

Колебания низкой частоты (менее 1 Гц с амплитудой 2...3 мм) вызывают нарушение управляемости и безопасности движения автомобиля. Для их устранения необходимо снижать скорость движения автомобиля.

Полностью устранить колебания управляемых колес вокруг шкворней невозможно. Их можно только уменьшить. Это достигается снижением скорости движения и применением независимой подвески управляемых колес, при которой уменьшается гироскопическая связь между колесами.

Независимые подвески обеспечивают правильную кинематику управляемых колес автомобиля. Однако правильная кинематика достигается не при всех типах направляющих устройств подвески.

При однорычажной независимой подвеске (рис. 22, б) вертикальные перемещения колеса сопровождаются изменением колеи ДВ и угла б наклона колеса, что вызывает возникновение гироскопических моментов, которые действуют в вертикальной и горизонтальной плоскостях и возбуждают поперечные колебания управляемого колеса вокруг шкворня.

Для устранения поперечных колебаний управляемых колес независимые подвески выполняют с направляющими устройствами на двух поперечных рычагах. При таких независимых подвесках изменение углов установки управляемых колес и шкворней минимально при вертикальных колебаниях колес.

Двухрычажные независимые подвески могут быть с рычагами одинаковой длины (рис.22, в) или разной длины (рис.22, г). При первом типе подвески колесо перемещается параллельно плоскости своего вращения и угловое перемещение колеса отсутствует, что исключает возникновение гироскопического момента и склонность колеса к колебаниям вокруг шкворня. Однако при этом происходит значительное изменение колеи передних управляемых колес, что может вызвать их боковое проскальзывание и, как следствие, изнашивание шин и ухудшение устойчивости автомобиля. При втором типе подвески плоскость вращения колеса при изменении его положения наклоняется на некоторый угол б, при котором гироскопическая связь между управляемыми колесами существенно уменьшается, а изменение колеи компенсируется упругостью шин.

Наилучшую кинематику управляемых колес обеспечивает рычажно-телескопическая подвеска (рис.22, д). При вертикальных перемещениях колея управляемых колес изменяется незначительно вследствие поперечного и продольного наклона оси их поворота. При такой подвеске устраняется склонность колес к поперечным колебаниям (вилянию) относительно осей их поворота, так как при вертикальных колебаниях колес практически исключается возможность возникновения гироскопического момента. Рычажно-телескопическая независимая подвеска обеспечивает небольшое изнашивание шин и хорошую устойчивость автомобиля при движении, а также при торможении на скользкой дороге. Эта подвеска обеспечивает высокую безопасность движения за счет отрицательного плеча обката, так как точка пересечения оси поворота колеса находится с внешней стороны относительно центра площади контакта шины с дорогой.

Независимая подвеска на двух продольных рычагах (рис.22, е) при вертикальных перемещениях колес обеспечивает их постоянную колею, но жесткость конструкции подвески, особенно боковая, недостаточна.

Минимальная масса. Масса подвески оказывает большое влияние на плавность хода, так как от нее зависит масса неподрессоренных частей автомобиля. При движении автомобиля по неровностям дороги неподрессоренные части автомобиля (мосты, колеса) совершают колебания с высокой частотой 350...600 мин-1. Поэтому минимизация массы неподрессоренных частей и подвески имеет существенное значение.

Масса задней зависимой подвески легковых автомобилей может составлять 2,5…3,5% от сухой массы автомобиля. Уменьшение массы подвески приводит к уменьшению масса неподрессоренных частей автомобиля, снижению динамических (инерционных) нагрузок на саму подвеску, на несущую систему автомобиля и на дорогу. В результате повышается плавность хода автомобиля, его надежность и увеличивается срок службы подвески, автомобиля и дороги. Так как масса колес не зависит от типа подвески, изменение массы неподрессоренных частей возможно в основном за счет направляющего устройства подвески.

Значительное уменьшение массы неподрессоренных частей достигается при независимой подвеске, так как тяжелые балки мостов, соединяющих колеса при зависимой подвеске (см. рис.22, а) в этом случае заменяются легкими рычагами.

Однорычажная независимая подвеска (см. рис 22, б) имеет небольшую массу. Масса независимой подвески на двух поперечных рычагах (см. рис.22, в, г) значительно больше, чем масса однорычажной подвески. Минимальную массу имеет рычажно-телескопическая независимая подвеска в которой телескопическая стойка одновременно выполняет функции направляющего и гасящего устройств. В результате упрощается конструкция и снижается масса подвески по сравнению с другими типами независимых подвесок.

Тип упругого устройства подвески также влияет на неподрессоренные массы. Наибольшую массу из всех упругих устройств подвески имеют листовые рессоры, которые применяются в зависимых подвесках, а наименьшую массу -- торсионы. К. массе неподрессоренных частей автомобиля относят 75 % массы листовой рессоры и 33 % массы спиральной пружины. Массу торсиона относят к подрессоренным частям автомобиля. Соответственно, наибольшую массу имеют зависимые рессорные подвески, а наименьшую -- торсионные подвески (рис.4).

Рис.23. Кинематическая схема торсионной подвески: 1 - торсион

Рессорные подвески

Рессора (фр. ressort -- пружина) -- вид амортизирующего устройства, упругий элемент подвески транспортного средства. Рессора передаёт нагрузку кузова на ходовую часть (колеса, опорные катки, гусеницыи т. д.) и смягчает удары и толчки при прохождении по неровностям пути.

Несомненным достоинствам рессорной подвески можно отнести простоту ее конструкции, многофункциональность (она одновременно является и амортизирующей, и направляющей системой) и удобство сборки и обслуживания. Вместе с тем, рессорная подвеска из-за сильного трения между элементами существенно снижает легкость хода на хорошей дороге, а ее изготовление заметно усложняется из-за технологических особенностей производства рессорных листов. Дело в том, что для большей сопротивляемости постоянным нагрузкам в производстве листов применяется только высококачественная углеродистая сталь. Получить такой лист можно, только соблюдая все технологические тонкости.

Если в условиях хороших дорог запас прочности рессорных элементов в подвеске автобуса составляет 100--150 тыс км, то на бездорожье он способен сократиться в два раза. При этом запас прочности рессор, изготовленных на ремонтном предприятии, на бездорожье может упасть до 10--15 тыс км. Чтобы повысить прочность рессорной подвески, изготовители используют следующие технологии: снятие с рессоры лишних нагрузок путем введения в конструкцию подвески дополнительных опорных элементов; уменьшение напряжения в рессоре путем введения в конструкцию упругих элементов или изменением формы поперечного сечения листов; упрочнение рессоры путем введения в конструкцию межлистовых прокладок.

Кроме того, увеличить запас прочности рессоры можно, устанавливая в шарниры втулок из резины или пластмассы, однако это эффективно работает только на сравнительно легких (массой до 6 тонн) машинах.

Раньше, когда скорости автобусов были небольшими, перед их конструкторами не стояла задача учитывать влияние рессор на плавность хода. Теперь же, чтобы это влияние не было столь существенно, в систему рессорной подвески приходится вводить дополнительные амортизирующие элементы. Для снижения же трения между листами рессор производители используют малолистовые конструкции, специальные смазки и вставки .

Преимущество рессоры в том, что это уникальное устройство (оно, между прочим, в несколько раз старше самого автомобиля. -- Ред.) в подвеске играет сразу едва ли не все роли. Она и упругий элемент, и направляющий аппарат. Ее использование облегчает сборку и ремонт машины. Рессора проста по конструкции и в ремонте, но не лишена и целого ряда серьезных недостатков.

Рис.24 Простейшая рессорная подвеска переднего моста грузового автомобиля. Как видно рессора не только упругий элемент, но и часть направляющего аппарата подвески. Рессора крепится с помощью шести шарниров

К главным недостаткам рессорных подвескок, автор статьи относит: высокое межлистовое трение, способное сильно ухудшить плавность хода на хорошей дороге, а также большую материалоемкость в сочетании с технологической сложностью при производстве листов.



Рис.25. Если оба конца рессоры связать с рамой серьгами , а с шейкой оси соединить шарнирно, то тормозные силы и момент будут передаваться через штангу , а рессора от них будет полностью разгружена. Число шарниров в данном случае возрастет до десяти

Листы для рессор изготавливают из дорогой, высокопрочной стали, содержащей кремний и марганец (55ГС, 55С2, 60С2), а также хром и никель (50ХГ). Чтобы рессоры могли выдерживать высокие, многократно повторяющиеся напряжения, возникающие во время прогиба, на поверхности листов после термообработки не должно быть обезуглероженных участков, трещин и других дефектов, а этого можно добиться только при довольно дорогом технологическом процессе. Предел текучести стали, идущей для изготовления листов рессоры, должен быть не менее 1 150 Н/см2. Отсюда и высокая стоимость рессоры.

Рис.26. Передняя подвеска автомобилей ГАЗ с креплением концов рессор в резиновых опорных подушках 1, не требующих технического обслуживания. Резиновые опоры уменьшают скручивание рессоры от некоторых действующих сил. Введение специального дополнительного упора 2 ограничивает действие изгибающего момента



Автор отмечает, что рессоры стремятся делать возможно более длинными, поскольку возникающие в них напряжения обратно пропорциональны квадрату длины. При недостаточной длине в коренном листе могут возникнуть большие напряжения, для уменьшения которых кривизну остальных листов делают такой, чтобы они воспринимали часть нагрузки коренного и нескольких следующих за ним листов, разгружая их.

Рис. 27.Уникальная подвеска переднего моста балки 40-тонного самосвала МАЗ с поперечно установленной рессорой, полностью разгруженной от всех видов нагрузок, кроме вертикальной силы. Балка фиксируется двумя поперечными штангами и двумя нижними и одной верхней продольными штангами.

Несмотря на то, что рессоры известны уже несколько столетий, их долговечность, обусловленная начальными напряжениями, сложным напряженным состоянием, динамическим и повторяющимся воздействием разнообразных сил, остается невысокой. По сравнению с торсионами и пружинами рессора работает в менее благоприятных условиях; ее усталостная прочность в 4 раза меньше, чем у торсиона. В настоящее время при эксплуатации в хороших дорожных условиях (асфальтовое покрытие) долговечность рессор автобусов составляет 100-150 тыс. км пробега, но в плохих условиях (грунтовые дороги, работа на стройках) она падает вдвое и доходит до 10-15 тыс. км. в случае применения рессор, изготовленных ремонтными предприятиями.



Рис. 28. Эти три рессоры заднего моста грузового автомобиля обладают одинаковыми характеристиками, но различны по конструкции (длина рессор 1 650 мм, жесткость -- 200 н/мм): а -- обычная, с обрезными концами рессор; 14 листов, высота пакета 140 мм, масса -- 122 кг; б -- усовершенствованная с раскатанными концами листов и пластмассовыми прокладками; 9 листов, высота пакета 127 мм, масса 94 кг; в -- параболическая с раскатанными концами листов и пластмассовыми прокладками; 3 листа, высота пакета 64 мм, масса 61 кг.

Листы рессоры имеют в свободном состоянии разную кривизну, поэтому уже при сборке в них появляются начальные напряжения (наибольшие в коротких листах). Рессора, являющаяся упругим и направляющим элементом подвески, испытывает изгиб в вертикальной плоскости, прогиб от вертикальных сил, воспринимает продольные силы и их моменты, а также осевое сжатие от продольных сил, изгиб в горизонтальной плоскости от боковых сил и кручение от их моментов. Самым напряженным является коренной лист, поэтому его делают или толще остальных, или для усиления ставят два-три коренных листа.

Коррозия в процессе эксплуатации автомобиля значительно ослабляет эффект поверхностного упрочнения. Именно это объясняет то, что некоторые владельцы «Волг» рессоры задней подвески заключают в чехлы. Срок службы рессорной подвески ограничивается в большой степени износом шарниров. Применение резиновых и пластмассовых втулок, устанавливаемых в шарнирах, способно эту проблему снять, но только для не тяжелой техники (обычно до 6 т полной массы).

Рис. 29. Рессора с листами различной кривизны , не стянутая центральным болтом, а также конструкции ушек: простого (2) и усиленных (3 и 4), применяемых на грузовых автомобилях и автобусах. При больших деформациях зазор в ушке 4 устраняется и второй лист усиливает ушко

Одним из главных недостатков рессор В.Мамедов называет линейную характеристику жесткости (т. е. прогиб пропорционален прикладываемому усилий, в то время как желательно иметь прогрессивное увеличение жесткости по мере прогиба), и предлагает решение данной проблемы: некоторого изменения жесткости рессоры можно достичь установкой серьги с наклоном или за счет цилиндрической задней опоры. Но оба способа позволяют реализовать нелинейность лишь в очень малых пределах.

...