CC BY
25
МРНТИ 73.31.41
https://doi.org/10.48081/WTHQ5642
*Р. Ю. Зарипов1, Н. С. Сембаев2, д. С. Машим3, Б. С. Калияшев4, Э. Р. Абильдинов5
1,2,3,4,5Торайгыров университет, Республика Казахстан, г. Павлодар
РАЗРАБОТКА УЧЕБНОГО СТЕНДА ДИАГНОСТИКИ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ И ПОДВЕСКИ АВТОМОБИЛЯ
В данной работе рассматривается вопрос диагностики рулевого управления и подвески легкового автомобиля в условиях учебной лаборатории с целью проведения научно-исследовательских работ студентов. В качестве базы для сборки учебного стенда выбрана передняя подвеска с рулевым управлением автомобиля Ford Scorpio.
На разрабатываемом стенде в учебных целях планируется проводить лабораторные и практические работы по определению люфта рулевого колеса, работы гидроусилителя, развал-схождения ходовой части автомобиля, имитации и исследований влияния качества дорожного покрытия на надежность подвески и рулевого механизма. Определены основные компоненты для сборки учебного лабораторного стенда. На данном этапе установлены группы параметров, которые должны диагностироваться на разрабатываемом стенде. Отражены материалы, используемые на первоначальном этапе работы в рамках комплексной магистерской диссертации.
Ключевые слова: рулевое управление, подвеска, люфт, гидравлический усилитель, стенд, диагностика.
Введение
Одними из значимых факторов процесса обучения являются образовательные технологии, состояние материально-технической базы и материально-техническое обеспечение учебных заведений. Для эффективного оказания образовательной услуги вуз должен обладать необходимой материально-технической базой, отвечающей современному уровню развития производительных сил. Оснащение вуза должно учитывать развитие научно-технического прогресса, возможность опережающей подготовки кадров [1].
Из выступления Главы государства Касым-Жомарта Токаева на заседании Мажилиса Парламента Республики Казахстан 11 января 2022 года [2] считаем необходимым выделить следующее: «...приоритет нужно отдать техническим профессиям. Предстоит взрастить новое поколение инженеров, промышленников». Для достижения этих целей помимо прочего необходимо качественное обновление материально-технической базы с высоким объемом финансирования. Помимо государственных программ модернизация базы ВУЗами может производиться самостоятельно.
На факультете инженерии НАО «Торайгыров университет» ведётся работа по модернизации и обновлению комплекса учебного оборудования для изучения студентами конструкции, принципа работы и диагностики узлов автомобилей.
Материалы и методы
В качестве базы для сборки учебного стенда выбрана передняя подвеска с рулевым управлением автомобиля Ford Scorpio. Система рулевого управления данного автомобиля имеет реечную рулевую передачу (Рисунок 1). Безопасная рулевая колонка имеет состоящий из двух частей вал рулевого колеса с крестообразным шарниром, а также деформируемым кожухом вала, закрепленным под передней панелью и сжимаемым в случае лобового столкновения.
Рисунок 1 - Рулевое управление Ford Scorpio
Рисунок 2 - Передняя подвеска Ford Scorpio
Независимая подвеска передних колес (Рисунок 2) состоит из поперечных рычагов, стоек Макферсона с винтовыми пружинами и телескопическими газонаполненными амортизаторами, а также стабилизатора поперечной устойчивости.
Обе амортизационные стойки связаны с кузовом и поворотными кулаками болтами. Поворотные кулаки направляются поперечными рычагами из алюминия, которые связаны с балкой передней подвески. Балка через гидроопоры связана болтами с днищем автомобиля.
Подвеска МакФерсон (McPherson) является самым распространенным видом независимой подвески, который применяется на передней оси автомобиля. По своей конструкции подвеска МакФерсон является развитием подвески на
двойных поперечных рычагах, в которой верхний поперечный рычаг заменен на амортизаторную стойку.
Подвеска МакФерсон (Рисунок 3) имеет следующее устройство [3]:
- подрамник;
- поперечный рычаг;
- поворотный кулак;
- амортизаторная стойка;
- стабилизатор поперечной устойчивости.
Рисунок 3 - Схема подвески МакФерсон:
1 - шаровая опора; 2 - ступица; 3 - тормозной диск; 4 - защитный кожух;
5 - поворотный рычаг; 6 - нижняя опорная чашка; 7 - пружина подвески;
8 - защитный чехол телескопической стойки; 9 - буфер сжатия;
10 - верхняя опорная чашка; 11 - подшипник верхней опоры;
12 - верхняя опора стойки; 13 - гайка штока;14 - шток; 15 - опора буфера сжатия; 16 - телескопическая стойка; 17 - гайка; 18 - эксцентриковый болт;
19 - поворотный кулак; 20 - вал привода переднего колеса; 21 - защитный чехол шарнира; 22 - наружный шарнир вала; 23 - нижний рычаг
Общую проверку технического состояния рулевого управления производят по суммарной величине люфта и усилию, необходимому для поворота рулевого колеса. Суммарная величина люфтов рулевого колеса складывается из величины люфтов в подшипниках ступиц передних колес и соединениях (шкворневых, шарнирных рулевых тяг, рычагов и элементов рулевого механизма) [4].
Инструментальные проверки рулевого управления. При необходимости или для контроля выполняют общую проверку рулевого управления с помощью специального оборудования - люфтомеров. Наиболее широкое распространение получили люфтомер механический К 524 (рисунок 4) и электронный ИСЛ-401 (Россия).
Рисунок 4 - Общий вид механического люфтомера К 524: 1,2 - раздвижные кронштейны соответственно верхний и нижний;
3 - упоры кронштейнов; 4 - передвижная каретка; 5 - стержень направляющий; 6 - зажим каретки; 7 - шкала угломерная; 8 - шайба фрикционная; 9 - нить резиновая; 10 - присос;
11 - пружинный динамометр; 12 - цапфа установочная;
13 - кронштейн динамометра; 14 - винт стопорный;
15 - вороток прижима; 16 - прижим; 17 - кольцо поджимное;
18 - рулевое колесо.
Метод измерения суммарного люфта рулевого управления заключается в определении угла поворота рулевого колеса по угловой шкале люфтомера между двумя фиксированными положениями, определяемыми приложением к нагрузочному устройству поочередно в обоих направлениях одинаковых усилий, регламентируемых в зависимости от собственной массы автомобиля, приходящейся на управляемые колёса.
Вопросами диагностики рулевого управления и подвески автомобиля занимались в работах зарубежных ученых [5-6].
Разрабатываемый авторами стенд включает в себя две совершенно разные системы, предназначенные для независимого диагностирования рулевых механизмов с гидравлическим усилителем и подвески автомобиля. Благодаря такому разделению на стенде есть возможность испытания отдельно взятых компонентов.
В первой подсистеме реализована возможность для испытания гидравлического усилителя рулевого управления и люфта в рулевом колесе. Для проведения диагностики изделие подключают к напорной гидравлической линии, для контроля уровня давления и потока жидкости при испытаниях в подсистеме используются запирающие и регулирующие элементы, чтобы определить полный ход золотника распределителя. Данная подсистема позволяет определять также наличие внешних утечек рабочей жидкости, а также фиксирует внутренние утечки.
Вторая подсистема предназначена для диагностики развал-схождения колес. Это подсистема включает в себя проверку и настройку следующих параметров:
- Развала - угла наклона колеса по отношению к дороге;
- Схождения - угла расположения колес по отношению к направлению движения;
- Кастера - угла расположения оси поворота.
Единицами измерения углов расположения колес являются градусы и минуты (один градус содержит шестьдесят минут).
Вся информация, полученная в процессе диагностики на этом данном стенде позволит судить о работоспособности в целом всей передней подвески. Подобные стенды разрабатывались раннее, их параметры изучены в работах [7-9].
5 1 2
Рисунок 6 - Предполагаемый общий вид стенда
Стенд для испытания рулевого управления состоит из следующих частей:
- Рама, изготовленная из балок профильного сечения, на которой монтируются все компоненты, и механизмы нужные для того, чтобы стенд функционировал.
- Узлы передней подвески транспортного средства компоновки Форд, которые прикрепляются к раме испытательного стенда.
- Нагрузочные элементы включающие в себя винты со штоками. Также при их помощи прикладывается нагрузка на колеса.
- Рулевое управление транспортного средства заднеприводной компоновки, состоящее из рулевого механизма, рулевого вала, рулевого колеса и рулевой трапеции.
- Гидравлический усилитель, в состав которого входят силовой цилиндр, распределитель, гидронасос и электродвигатель. Корпус силового цилиндра фиксируется на раме испытательного стенда, его шток с помощью шарнира совмещен с поперечной тягой. Гидронасос фиксируется на раме и приводится в движение посредством электродвигателя, который тоже монтируется на раме стенда.
- Электрическая схема измерений, состоящая из блока питания, усилителя, измерительно-регистрирующей аппаратуры для измерения люфта рулевого колеса и управляемых колес на приборной доске.
Результаты и обсуждение
Определение расчетных режимов и выходных параметров стенда. В процессе эксплуатации автомобиля максимальные нагрузки в рулевом управлении реализуются в нескольких ситуациях [3, 5], которые можно воссоздать, используя предложенный стенд (Таблица 1).
Таблица 1 - Описание расчетных случаев нагружения рулевого управления совместно с независимой подвеской
Расчетный случай* Положение колес** Момент, развиваемый рулевым механизмом
Упор левого колеса в препятствие с максимальной силой на рулевом колесе Правое колесо вывешено, левое - на ходе сжатия подвески Максимальный положительный
Максимальный отрицательный
Упор правого колеса в бордюр с максимальной силой на рулевом колесе Левое колесо вывешено, правое - на ходе сжатия подвески Максимальный положительный
Максимальный отрицательный
*Положение колес произвольно
** Колеса поворачиваются с постоянной скоростью по закону управления.
В стенде описанные выше расчетные режимы задаются системой сил и моментов, действующих на колесо и рулевую сошку, а угол поворота колес и положение тяг и шарниров рулевого механизма задаются принудительным углом поворота опорной площадки. Детали рулевого управления нагружены моментом, приложенным на рулевой сошке (Рисунок 7). Элементы подвески нагружены вертикальной нагрузкой в пятне контакта колес с опорной поверхностью [10]. Силы, действующие в рулевых тягах, могут дополнительно нагружать подвеску автомобиля или разгружать ее в зависимости от знака приложенного момента [11].
Рисунок 7 - Расчетная схема рулевого управления
Усилитель рулевого управления испытывается на стенде в лабораторных условиях или на автомобиле в условиях эксплуатации.
В соответствии с установленными оценочными параметрами и критериями определяют его характеристики. Отдельные элементы усилителей можно испытывать на том же комплексном стенде, что и усилитель в сборе, или на специальных стендах. Отдельные испытания производят при помощи специальных приборов и устройств.
Ре гул ировочные
I Ьирузочные
<
Энср| сти ч с скис
-<
К и нем a-in чсскис
иГ
1, Зависимость момента ми налу сошки Л/, or момента ни ВХОДНОМ валу Л рулевого механизма при ртютающем iидроусилителе: A/L
2. Зависимость давления л напорной части гидросистемы р оч ыомента на входном налу: р =f(MB).
Г Зависимость скорости выходного звена ог сопротивления повороту управляемых колес.
Для рулевого механизма с гидроусилителем интегрального типа aj[. = ДЛ/С11), Где qiL- — yi ЯОВОЯ скорость СОШКИ» Vf,H — НОМИНАЛЬНЫЙ MOIKHT HLl ыиу СОШКИ.
Д.1Я других компоновочных схем и где и - скорость
перемещения штока цилиндра гидроусилителя, FH V^ номинальное усилие на ijitokc.
1. Механический КПД r|j. рулевого механизма с гидроусилителем.
2. Вну|-реннее фение в рулевом механизме.
3. Проверка работоспособности рулевого механизма с выключенным гидроусилителем. районам жидкость слита; :Vi:L < при = 0,5 об/с, /?с — средни» радиус овода рулевого колеса.
1. Механический л юфт рулевого механизма
2. Упругий механический люфт рулевого механизма ф.^. Гидравлический люф| рулевого механизма tp,,
4. Упругость рулевого механизма q>e. __ 5. Угловое передаточное отношение рулевого механизма
f ] . \ 1аружныс ут^^ки жидкости (J = / (p)t р = ] ,25 /jl]llLII
2. Проверка работоспособности рулевого механизма с работающим гидроусилителем: Мв < мри л, ~0,5 об/с, ir, и Мш Скорость вращения и номинальный момент на входном ралу.
Сопротивление протек&нию жидкости в рулевом механизме с гидроусилителем А/1 pMJ где р,, /!., и — давления на входе
и выходе из гидроусилителя cuotucicjbchko.
4, Центрирование золотника распределителя.
5, Внутренние утечки жидкости Qr — f(p),p - 0,9 Проверка работоспособности выключателя гидроусилителя н
V. крайних положениях, р < 0,2
1, Насосы: рабочая характеристика Q = /'(/?).
2, Распределители; - внутренние угечки =j (р). р = 0,9 - наружные (внешние) утечки Q„ =J (р), р = 1,25 ртлх.
3, Регуляторы расхода: -расход на выходе регулятора =/(/->),
- внутренние утечки £>„ — ftp), р ■■ 0.9 ¿>mii.
- давление срабатывания предохранительного клапана
4, Цилиндры: - внутренние утечки Q„ ~f(p), р = 0,9
- наружные (внешние) утечки Q„ =f{p% р = 1-25
Рисунок 8 - Экспериментально определяемые параметры и характеристики рулевого механизма с гидравлическим усилителем
Гидравлвческие (обЩИС испытания)
<
Г11 драв л и чес кие (по?лсмс! п I i bte испытания)
В соответствии с правилами, требованиями стандартов, регламентирующими порядок проведения испытаний, разрабатываемый стенд должен позволять экспериментально определить параметры и характеристики, показанные на рисунке 8.
Для выполнения этих требований необходимо разработать дополнительные механизмы имитации дорожных условий.
Выводы
На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
- в качестве базового узла - передней подвески с рулевым управлением для создания учебного стенда целесообразно выбрать подвеску независимую подвеску со стойками МакФерсон с гидравлическим усилителем рулевого управления;
- стенд является универсальным - это означает, что в нем реализована возможность испытаний рулевых механизмов с гидравлическими усилителями, выполненными по всем известным компоновочным схемам (интегральной, наполовину интегральной и нейтральной)
- стенд дает возможность проведения комплекса работ по изучению, диагностике и ремонту подвески и рулевого управления автомобиля.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Конова, Т. А., Антропов, В. А. Организация материально-технического обеспечения образовательных учреждений высшего профессионального образования // Вестник УРФУ, серия Экономика и управление. - 2011. - № 6. -С. 162-173.
2 Из выступления Главы Государства на заседании мажилиса парламента РК: информационный портал. [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http:// www.inform.kz. - 2022. - 1 c.
3 Подвеска МакФерсон (McPherson): информационный портал [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http:// systemsauto.ru. - 2022. - 1 c.
4 Вахламов, В. К. Автомобили : Основы конструкции: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» направления подготовки дипломированных специалистов «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования» / В. К. Вахламов. - 5-е изд., стер. - М. : Академия, 2010. - 527 с.
5 Malge Sangeeta Ganesh, G. P. Patil, N. A. Kharche. Performance of the Structural Analysis of Ford Car Steering Rod // International Journal of Researchin Advent Technology. - Vol .2. - No. 2. - 2014, February
6 Ratko Menjak, Karen A. Boswell, Sainan Feng, James P. Kelly, Brian J. Magnus,Wayne M. Steverson, «Collapsible steering column assembly». Publication number: US7455321 B2, Patents/US7455321
7 Денисов, И. В. Методика поэлементного диагностирования рулевого управления с реечным механизмом / Ю. В. Баженов, И. В. Денисов // Автотранспортное предприятие. - 2007. - № 7. - С. 42-45.
8 Евглевский, Р. О, Лаврентьев, В. П. Исследования и внедрение в учебный процесс стенда рулевого управления современного грузового автомобиля // Сборник статей по материалам XI Всероссийской конференции молодых
ученых, посвященной 95-летию Кубанского ГАУ и 80-летию со дня образования Краснодарского края.
9 Новиков, А. Н., Тебекин, М. Д., Катунин, А. А. Гидравлический привод стенда для испытания элементов передней подвески легковых автомобилей/ Материалы II Международной научно-практической конференции Актуальные вопросы инновационного развития транспортного комплекса, 2012.
10 Вдовин, Д. С., Чичекин, И. В., Поздняков, Т. Д. Виртуальный стенд для определения нагрузок на рулевое управление автомобиля // Инженерный журнал : «Наука и инновации». - № 8. - 2017.
11 Вдовин Д. С. Расчет нагрузок на звенья независимой подвески ходовой части автомобиля 8*8 с использованием NX Motion // Сб. тр. секции «Автомобили и тракторы» 85-й Междунар. науч.-техн. конф. «Будущее автомобилестроения в России». Ассоциация автомобильных инженеров, Университет машиностроения (МАМИ). - М. 2014, С. 2-6.
REFERENCES
1 Konova, T. A., Antropov, V. A. Organizatsiia materialno-tehnicheskogo obespecheniia obrazovatelnyh ychrejdenii vysshego professionalnogo obrazovaniia // Vestnik YRFY, seriia Ekonomika i ypravlenie. - 2011. - № 6. - P. 162-173.
2 Iz vystypleniia Glavy Gosydarstva na zasedanii majilisa parlamenta RK: informatsionnyi portal. [Electronic resource]. - Rejim dostypa. - URL: http:// www. inform.kz. - 2022. - 1 c.
3 Podveska MakFerson (McPherson): informatsionnyi portal. [Electronic resource]
- Rejim dostupa. - URL: http:// systemsauto.ru , 2022. - 1 c.
4 Vahlamov, V. K. Avtomobili : Osnovy konstryktsii: ychebnik dlia stydentov vysshih ychebnyh zavedenii, obychaiyihsia po spetsialnosti «Avtomobili i avtomobilnoe hoziaistvo» napravleniia podgotovki diplomirovannyh spetsialistov «Eksplyatatsiia nazemnogo transporta i transportnogo oborydovaniia» / V. K. Vahlamov. - 5-e izd., ster. - M. : Akademiia, 2010. - 527 p.
5 Malge Sangeeta Ganesh, G. P. Patil, N. A. Kharche Performance of the Structural Analysis of Ford Car Steering Rod // International Journal of Researchin Advent Technology, Vol.2, No.2, February 2014
6 Ratko Menjak, Karen A. Boswell, Sainan Feng, James P. Kelly, Brian J. Magnus,Wayne M. Steverson «Collapsible steering column assembly». Publication number: US7455321 B2. patents/US7455321.
7 Denisov, I. V. Metodika poelementnogo diagnostirovaniia rylevogo ypravleniia s reechnym mehanizmom. / Iy. V. Bajenov, I. V. Denisov // Avtotransportnoe predpriiatie.
- 2007 - № 7. - P. 42-45.
8 Evglevskii, R. O, Lavrentev, V. P. Issledovaniia i vnedrenie v ychebnyi protsess stenda rylevogo ypravleniia sovremennogo gryzovogo avtomobilia // Sbornik statei po materialam HI Vserossiiskoi konferentsii molodyh ychenyh, posviaennoi 95-letiiy Kybanskogo GAY i 80-letiiy so dnia obrazovaniia Krasnodarskogo kraia.
9 Novikov, A.N., Tebekin, M.D., Katynin, A.A. Gidravlicheskii privod stenda dlia ispytaniia elementov perednei podveski legkovyh avtomobilei // Materialy II Mejdynarodnoi naychno-prakticheskoi konferentsii Aktyalnye voprosy innovatsionnogo razvitiia transportnogo kompleksa, 2012.
10 Vdovin, D. S., Chichekin, I. V., Pozdniakov, T. D. Virtyalnyi stend dlia opredeleniia nagryzok na rulevoe upravlenie avtomobilia // Injenernyi jyrnal : «Nayka i innovatsii». - № 8. - 2017.
11 Vdovin D. S. Raschet nagryzok na zvenia nezavisimoi podveski hodovoi chasti avtomobilia 8*8 s ispolzovaniem NX Motion // Sb. tr. sektsii «Avtomobili i traktory» 85-i Mejdynar. naych.-tehn. konf. «Bydyee avtomobilestroeniia v Rossii». Assotsiatsiia avtomobilnyh injenerov, Yniversitet mashinostroeniia (MAMI). Moscow. 2014. - P. 2-6.
Материал поступил в редакцию 17.03.22.
*R. Y. Zaripov1, N. S. Sembaev2, A. S. Mashim3, B. S. Kaliyashev4 E. R. Abildinov5
1,2,3,4,5Toraighyrov University, Republic of Kazakhstan, Pavlodar. Material received on 17.03.22.
DEVELOPMENT OF A TRAINING STAND FOR VEHICLE STEERING AND SUSPENSION DIAGNOSTICS
In this paper, the issue of diagnostics of steering and suspension of a passenger car in the conditions of an educational laboratory for the purpose of carrying out research work of students is considered. The front suspension with steering control of the Ford Scorpio car was chosen as the base for the assembly of the training stand.
Laboratory and practical work is planned to be carried out on the developed stand for educational purposes to determine the steering wheel backlash, the operation of the power steering, the collapse of the chassis of the car, simulation and research of the influence of the quality of the road surface on the reliability of the suspension and steering mechanism. The main components for the assembly of the educational laboratory stand have been identified. At this stage, groups of parameters have been established that should be diagnosed at the stand being developed. The materials used at the initial stage of work in the framework of a comprehensive master's thesis are reflected.
Keywords: steering, suspension, backlash, hydraulic booster, stand, diagnostics.
*Р. Ю. Зарипов1, Н. С. Сембаев2, д. Мэшiм А3., Калияшев Б. С4.,
Э. Д. Абильдинов5
1,2,3,4,5ТораЙFыров университет^ Казахстан Республикасы, Павлодар к.
Материал баспаFа 17.03.22 тYстi.
АВТОКЭЛ1КТЩ РУЛы МЕН суспензиясын ДИАГНОСТИКАЛАУДЫЩ ОЦУ СТЕНД1Н ЖАСАУ
Бул жумыста студенттердщ гылыми-зерттеу жумыстарын жург1зу мацсатында оцу зертханасы жагдайында рульдi басцару жэне жецы автоквлiктi шу диагностикасы мэселеЫ царастырылады.
Оцу стендт цурастырудыц негiзiреттде Ford Scorpio автоквлшнщ рулы бар алдыцгы суспензия тацдалды.
дзiрленген стендте оцу мацсатында руль двцгелегтщ люфтт, гидрокушейткштщ жумысын, автомобильдщ журк белшнщ цулауын аныцтау бойынша зертханалыц жэне практикалыц жумыстарды, аспалы жэне руль механизмтщ сетмдшшне жол жамылгысы сапасыныц эсерт имитациялау жэне зерттеу жумыстарын жург1зу жоспарлануда. Оцу зертханалыц стендт цурастырудыц негiзгi компоненттерi аныцталды. Бул кезецде эзiрленген стендте диагноз цойылуы керек Параметрлер топтары орнатылды. Кешендi магистрлт диссертация шецбертде жумыстыц бастапцы кезецтде пайдаланылатын материалдар кврсетшген.
Кiлттi свздер: рульдт басцару, аспа, люфт, гидравликалыц кушейттш, стенд, диагностика.
