CC BY
79
СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ САМОХОДНЫХ МАШИН Черненко А.Б.1, Авсецин А.С.2, Сысоев М.И.3, Сысоева М.И.4 Email: [email protected]
'Черненко Андрей Борисович - кандидат технических наук, доцент,
2Авсецин Андрей Сергеевич - магистрант, кафедра автомобилей и транспортно-технологических комплексов, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова (Новочеркасский политехнический институт), г. Новочеркасск; 3СысоевМаксим Иванович - магистрант, кафедра колесных машин, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва; 4Сысоева Мария Ивановна — студент, кафедра общей физики, Московский государственный областной университет, г. Мытищи
Аннотация: статья посвящена рассмотрению общих сведений о способах организации системы рулевого управления в транспортно-технологических самоходных машинах (ТТСМ) с учетом особенностей их целевого назначения. Обобщены результаты литературного анализа о возможностях организации поворота транспортных средств и области их применения. Выявлены достоинства и недостатки рассматриваемых технических решений существующих способов образования рулевого управления ТТСМ средств.
Ключевые слова: рулевое управление, способы поворота, управляемость, маневренность, эффективно функционирующая система рулевого управления, транспортное средство.
WAYS OF ORGANIZATION OF THE STEERING OF TRANSPORT TECHNOLOGICAL SELF-PROPELLED MACHINES Chernenko A.B.1, Avsecin A.S.2, Sysoev M.I.3, Sysoeva M.I.4
'Chernenko Andrei Borisovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; 2Avsecin Andrei Sergeevich - Graduate Student, DEPARTMENT OF CARS AND TRANSPORT-TECHNOLOGICAL COMPLEXES, FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER PROFESSIONAL EDUCATION SOUTH-RUSSIAN STATE POLYTECHNIC UNIVERSITY (NPI) M.I. PLATOV'S (NOVOCHERKASSKPOLYTECHNIC INSTITUTE), NOVOCHERKASSK; 3Sysoev Maxim Ivanovich - Graduate Student, DEPARTMENT OF WHEEL MACHINES, FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER PROFESSIONAL EDUCATION MOSCOW STATE TECHNICAL UNIVERSITY N.E. BAUMAN, MOSCOW; 4Sysoeva Maria Ivanovna - Student, DEPARTMENT OF GENERAL PHYSICS, MOSCOW STATE REGIONAL UNIVERSITY, MYTISCHI
Abstract: the article is devoted to the consideration of general information about the methods of organizing the steering system in transport and technological self-propelled vehicles (TTSM), taking into account the features of their purpose. The results of literary analysis about the possibilities of organizing the rotation of vehicles and their area of application are summarized. The advantages and disadvantages of the considered technical solutions of the existing methods for the formation of steering control of TTSM tools are identified.
Keywords: steering, ways of turning, handling, maneuverability, effectively functioning steering system, vehicle.
УДК 621.01
Одним из важнейших факторов, определяющих качество современных транспортных машин, является эффективно функционирующая система рулевого управления. В связи с этим, формируются требования, предъявляемые к рулевому управлению:
• Жесткость управления, оцениваемая усилием, прикладываемым к рулевому колесу;
• Качение колес с минимальными боковым уводом и скольжением;
• Стабилизация повернутых управляемых колес, обеспечивающая возврат колес в среднее положение при отпускании рулевого колеса;
• Предотвращение ударов на рулевом колесе, при ударе управляемого колеса о поверхность.
Рулевое управление предназначено для поддержания направления движения ТТСМ по заданным векторам под воздействием внешних сил. При этом поворот осуществляется путем изменения радиуса качения колеса и в пятне контакта возникают дополнительные реакции, которые создают поворачивающий момент. Изменение режима качения колеса обычно достигается двумя принципиально разными способами:
■ Взаимного расположения колес;
■ Принудительные перемещения не поворотных колес разных бортов.
Бортовой поворот
Изменение направления движения осуществляется при помощи бортового поворота или комбинированного поворота, где разворачивающий момент увеличивается с увеличением разности правого и левого бортов и позволяет получить небольшие радиусы поворота вплоть до разворота вокруг центра машины, возможность применения шин большего диаметра как по ширине, так и по высоте, а также сохранность полезного объема благодаря малым размерам колесных арок.
При этом, транспортное средство (ТС) расходует большие мощности на поворот что приводит к значительному износу шин в следствии проскальзывания колес относительно опорной поверхности и усугубляется с уменьшением радиуса и с увеличением базы ТТСМ, а при определенном соотношении базы и радиуса колес поворот ТС не возможен.
Бортовой поворот обеспечивается включением в трансмиссию специальных механизмов поворота:
> Бортовой фрикцион;
> Планетарный механизм поворота;
> Бортовые коробки передач;
> Бесступенчатые механизмы поворота (гидрообъемные или фрикционные).
Рис. 1. Бортовой способ поворота
Область применения данного способа преимущественно строительные машины, автомобили специального назначения и повышенной проходимости, военные ТС.
Кинематический поворот управляемых колес
Наиболее распространенным является кинематический поворот с передним расположением управляемых колес, как наиболее простое по исполнению, обеспечивающее хорошую маневренность и управляемость ТС.
Недостатком заднего расположения управляемых колес является сложность маневрирования при отъезде от стенки и более медленное изменение положения передней части автомобиля при повороте. Использование одновременно передних и задних управляемых колес уменьшает радиус поворота автомобиля, повышает маневренность, но усложняет конструкцию ТТСМ. Поворот осуществляется посредством рулевого управления, которое представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих поворот управляемых колес при воздействии водителя на рулевой управляющий орган.
Присуще ограничение для использования данного способа на сельскохозяйственной технике — минимизированное расстояние между колесами и остовом, двигателем и другими системами при повороте управляемых колес. В случае если передний свес машины имеет значительные габаритные размеры или диаметр колес имеет увеличенный радиус, то их невозможно повернуть на требуемый угол, обеспечивающий минимальный радиус поворота при заданной колее. В этом случае применяют шарнирно сочлененную раму, четыре управляемых колеса или бортовой способ поворота (рисунок 1), который может быть осуществлен только на тракторах колесной формулы 4х4.
Рис. 2. Способы поворота двухосных колесных машин; а—управляемыми колесами только передней оси; б—управляемыми колесами обеих осей двухосной машины; в — бортом; г— комбинация способов; а и б поворота; д — с помощью шарнирно сочлененной рамы
При развороте управляемых колес в пятне контакта возникают боковые силы и соответственно разворачиваемый момент. С увеличением базы транспортного средства Ь увеличивается радиус поворота и разворачивающий момент. Для того чтобы колеса катились по опорной поверхности с минимальным скольжением перпендикуляры из центра колес должны пересекаться в единой точке.
Влияние положения полюса поворота на радиус поворота и устойчивость движения зависит от полюса поворота:
❖ Если полюс поворота находится на задней оси или за ней, то автомобиль обладает высокой устойчивостью при движении с большими скоростями. Чем дальше полюс поворота смещается к задней оси, тем больше радиус поворота будет увеличиваться;
❖ При смещении полюса поворота от задней оси к середине базы, радиус поворота будет уменьшаться и когда радиус окажется в центре, он будет в 2 раза меньше чем на задней оси, при этом соответственно передние и задние колеса будут повернуты на одинаковый угол, но в разные стороны. В таком случае соответствующие колеса будут катиться по одной колее, что не мало важно для ТС повышенной проходимости, так как потери на колееобразование минимальны, но одновременно снижается его устойчивость (необходима корректировка направления движения);
❖ По мере смещения полюса поворота к передней оси радиус увеличивается и устойчивость продолжает падать.
/
Рис. 3. Схема кинематического поворота: 01 — радиус поворота; О2 — полюс поворота
Способы повышения устойчивости движения с высокими скоростями ТС с передними и задними управляемыми колесами:
1. Отключение задних управляемых колес при движении с высокими скоростями;
2. Введением в запаздывание в поворот задних колес.
Данный способ позволяет получить минимальные усилия необходимые для поворота колес, так как меньше плечо обкатки, обеспечить точное управление при движении с высокими скоростями и есть возможность возврата управляемых колес под действием стабилизирующего момента.
Недостатками являются зависимость радиуса поворота определяется углами поворота управляемых колес, а эти углы определяются возможностями компоновки, либо возможностями шарнира ШРУС, сложность подвода крутящего момента к управляемым ведущим колесам и невозможность применения шин большой размерности, как по диаметру, так и по ширине.
Кинематический поворот с изменением взаимного расположения осей.
Способы поворота многоосных ТС показаны на рисунке 4. В случае если все колеса управляемые, возможно обеспечить движение «крабом» 8. Этот способ управления отличается тем, что позволяет переместить машину из исходного положения в нужный пункт по кратчайшей траектории, практически по прямой, не прибегая к поворотам, но сопровождается максимальным износом шин.
О'
Рис. 4. Способы поворота взаимного расположения осей: 1-передняяуправляемая ось; 2 и 4-передняя и задняя управляемая ось; 3 и 5 — дублированные передние управляемые оси; 6 и 7 — дублированные передние
и задние оси; 8 - все оси управляемые
Поворот управляемой оси был известен в начале прошлого века. В основном он применялся на двухосных гужевых повозках. При таком способе ось с колесами поворачивалась относительно шкворня, установленного в центре повозки. Система управления получалась очень простой, но требовала сильного сужения передней части кузова для перекатывания управляемых колес, не обеспечивала демпфирования ударов от неровностей дороги на органы управления и при предельных углах поворота оси возникала опасность бокового опрокидывания из-за уменьшения площади опоры ТС. Для частичного устранения указанных недостатков пытались заменить управляемую ось одним колесом, установленным по центру ТС (например, автомобиль К. Бенца). В настоящее время такая схема поворота осталась на двух- и трехколесных транспортных машинах и поворот управляемой оси сегодня применяется только на прицепах.
Преимуществами является простота конструкции поворотной оси и поворот оси на большие углы, а также возможность применения широких или сдвоенных шин
Недостатками является большие усилия для поворота оси или тележки и большое пространство для поворота осей или тележки
Область применения данного способа большегрузные транспортные средства, ТТСМ высокой проходимости и карьерные автомобили.
Способ разворота сочлененных звеньев
Способ разворота сочлененных звеньев с большими размерами колес транспортного средства как по ширине, так и по высоте, вследствие чего поворот каждого из них затруднен. При таком способе несущая система ТС состоит из двух частей, к каждой из которой присоединена передняя и задняя оси. Обе части соединены друг с другом подвижно с помощью вертикального шкворня. Относительный поворот частей («складывание» рамы или иной несущей системы) происходит с помощью гидравлических цилиндров рулевого управления. К недостаткам данной схемы относится низкая точность управления при высокой скорости, трудность размещения кузовов или кабин на двух подвижных частях рамы, усложнение трансмиссии. В связи с этим данный способ рулевого управления на современных автомобилях применяется редко, основная сфера использования — тихоходные тракторы, дорожно-строительные машины, специальные вездеходы.
Наибольшее распространение в конструкции ТС получило рулевое управление с поворотными колесами. В этом случае каждое управляемое колесо может поворачиваться в горизонтальной плоскости относительно собственной оси поворота. Для синхронизации поворота правого и левого колеса одной оси они связаны шарнирным механизмом — рулевой трапецией.
Рулевая трапеция обеспечивает поворот правого и левого колес на разные углы, что позволяет им катиться на повороте по разным радиусам без проскальзывания.
L
О'
Рис. 5. Способ разворота сочлененных звеньев
Основные преимущества указанной схемы поворота: колеса занимают при поворотах небольшой объем внутри кузова, что позволяет удобно размещать над управляемым мостом другие агрегаты автомобиля (двигатель, трансмиссию и т. д.); для поворота колес требуются незначительные усилия, близкое расположение колеса к оси его поворота уменьшает удары, передающиеся от дороги на рулевое управление. Выводы:
1. Возможно получение комбинированного способа организации рулевого управления: o Сочетание кинематического рулевого управления и бортового поворота;
o Применение кинематического поворота и разворота сочлененных звеньев.
2. Способ организации выбирается исходя из целевых свойств ТС, условиях компоновки, а также предъявляемым требованиям и условиям эксплуатации.
3. Выбирая способ организации рулевого управления, уделяется значительное внимание массогабаритным характеристикам, скоростям движения и ограничениями, возникшим в связи с уже принятыми техническими решения в компоновке транспортного средства.
Список литературы / References
1. Рампель И. Шасси автомобиля: Рулевое управление / Пер. с нем. В.Н. Пальянова. М-машиностроение, 1987.
2. Проектирование полноприводных колесных машин. Учебник для вузов: П79 В 3 т. Т. 3 / Б.А. Афанасьев, Б.Н. Белоусов, Л.Ф. Жеглов и др.; Под ред. А.А. Полунгяна. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.
3. Гришкевич А.И. Проектирование трансмиссий автомобилей. М.: Машиностроение. Москва, 1984.
4. Осепчугов В.В., Фрумкин, А.К. Автомобиль, анализ конструкций, элементы расчета. М.: Машиностроение. Москва, 1989.
5. Вахламов В.К. Автомобили: Основы конструкции: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Академия, 2006.
