8. РУЛЬОВЕ КЕРУВАННЯ

Рульове керування - сукупність пристроїв, призначених для зміни напрям­ку руху безколійного РС.

8.1. Основні вимоги до рульового керування:

- мінімальне зусилля водія на рульовому колесі;

- мінімальний люфт (свобода ходу) рульового колеса, необхідний для стій­кого руху екіпажу на прямих ділянках шляху з високою швидкістю;

- мінімальний вплив на стабілізацію керованих коліс;

- мінімальна передача на рульове колесо ударів від коліс при русі по нері­вностям;

- правильна кінематика повороту без проковзування коліс;

- загальні вимоги надійності, працездатність, ремонтопридатність, мініма­льна вага.

8.2. Класифікація рульового керування

Системи рульового керування сучасними тролейбусами можна класифіку­вати у відповідності з конструктивними особливостями окремих елементів (рис. 8.1).

8.3. Конструкція і принцип дії рульового керування

Система рульового керування складається: з рульового механізму 1 (рис. 8.2), яким керує кермо водія 2 через рульовий вал 3, та рульового приводу. Останній складається: з сошки 4 (важеля рульового механізму), поздовжньоїрульової тяги 7, двох шворнів 8 (осей повертання коліс), двох важелів 9, жорст­ко з'єднаних з цапфами 10 (осями обертання) коліс. У залежній підвісці перед­ніх коліс останні позиції закріплені на балці моста 11, яка з важелями цапф і поперечною тягою складає рульову трапецію.

Для полегшення керування, як правило, в розриві поздовжньої тяги розта­шований підсилювач 12 (сервопривід рульового керування).

 

8.4. Кінематика приводу керованих коліс двовісного тролейбуса

Для того, щоб не допустити бокове проковзування передніх коліс по доро­жньому покриттю, необхідно, щоб цапфи лівого та правого коліс в момент по­вороту описували дугу навколо одного миттєвого центру, але різного радіуса і повертались в одиницю часу на різні кути а1та а2. Ця умова забезпечена конс­трукцією (розмірами) рульової трапеції, яка складається з балки переднього мо­ста, правого і лівого важелів і поперечної рульової тяги.

Кут ф повинен мати певне значення для різного співвідношення величин А,Б,т,п. Величину кута ф підбирають таким чином, що точка перетину обох напрямків важелів була на відстані %Б від переднього моста. При цьому із роз­гляду трикутника оас і овсі:

^ос2 = ^ссі + А/Б (8.1) п - довжина поперечної тяги;

А - відстань між шворнями (осями повороту коліс); Б - база тролейбуса.

Дану умову повинна забезпечувати кінематика рульової трапеції.

Теоретичні дослідження показують, що його можна забезпечити тільки 18-ланковим шарнірним механізмом трапеції. Практично застосовується менш складний 4-ланковий механізм. При існуючому радіусі повороту проковзуван­ня практично не відчутне.

8.5 Основні характеристики рульового керування

Рульове керування оцінюють:

а) легкістю та зручністю керування;

б) передавальним числом;

в) величиною кута повороту коліс;

г) за впливом на стабільність керованих коліс (керованість);

Легкість керування характеризується моментом МВ на рульовому колесі при повороті машини і його кутом повороту р.

В рульовому керуванні розрізняють наступні передавальні числа: Кутове передавальне число рульового механізму

де <Юр - кутова швидкість рульового колеса; <юп - кутова швидкість вала сошки.

Передавальне число рульового приводу іш . Воно визначається довжиною і взаємним розташуванням важелів і тяг приводу, які в процесі повертання змі­нюються за довжиною і приводять до зміни передавального числа. В існуючих конструкціях кутове передавальне число рульового керування

і „ = ^ = 0,85-1,1 (8.3) п аа

Кутове передавальне число рульового керування

і» = і» 'і» = *, (8.4) аа

т п

сСа - кут повороту керованих коліс.

Звичайно максимальний кут повороту керованих коліс не перевищує 30-37°, а рульового колеса 1,5-2,5 оберти в кожен бік. При цьому в = 540-900°, і» = 12,4-24

Силове передавальне число

М     І Мо.

іс = — =-~, (8.5)

М М

в в

де Мо - момент опору пов ороту і-го керов аного колеса;

і

Мв - момент на валу рульового колеса.

іс = пруіщ, (8.6) пРУ - ККД системи рульового керування.

8.6. Підсилювачі рульового керування

Підсилювачі призначені для полегшення керування тролейбусом. Вимоги до підсилювачів:

- зусилля включення підсилювачів Рв = 25--50 Н;

- зріст зусиль на рульове колесо із збільшенням опору повороту ("відчуття дороги" у водія). Максимальне зусилля на рульовому колесі не повинне пере­вищувати РВтах = 100—150 Н;

- мінімальне запізнення в спрацюванні і при вмиканні в дію. Слідкуючадія, що забезпечує пропорційність зусиль і кутів повороту між рульовим коле­сом і керованими колесами;

- відсутність випадкових самовключень від випадкових поштовхів з боку шляху;

- можливість збереження напрямку руху РС при несправному підсилювачі і перехід на ручне керування.

Характеристика підсилювачів (рис. 8.3)

 

2000 4000 М0,Н-м

Рис. 8.3 - Залежності зусилля водія Рв від моменту опору Мо для різних пі­дсилювачів: 1 - Залежність зусилля водія у функції моменту опору Рв = г(Мо) -без підсилювача; 2-3 підсилювачем (оптимально підібрані параметри); 3 - З підсилювачем надмірної потужності.

Підсилювачі потрібно підбирати так, щоб у т. А було включення і в т. В його вимкнення. При цьому зусилля водія передавалось на рульову колонку і його величина забезпечувала необхідну легкість керування і створення у водія відчуття дороги. При надмірній потужності підсилювача (залежність 3) водій неможе керувати зусиллям в залежності від кута повороту керованих коліс, що перешкоджає керуванню і знижує безпеку руху. При недостатній потужності характеристика буде проходити вище характеристики 2. В цьому випадку водій повинен прикладати до рульового колеса надмірне зусилля для повороту, що збільшує втому водія, погіршує керування тролейбусом.

На тролейбусах старих марок (ЗіУ-5, 9ТР та ін.) застосовувались підсилю­вачі руля, робочим тілом яких було стиснене повітря, що бралося з гальмової системи. Основним недоліком пневмопідсилювача є невисока швидкодія, оскі­льки повітря при стиску змінює свій об'єм, а рідина - ні .

Гідропідсилювачі не мають такого недоліку, вони більш компактні, оскіль­ки питомий тиск, що створюється гідросистемою дорівнює 4—7 Н/мм2 (40-70 бар), що більше, ніж у пневматичних системах у 10 разів, де цей тиск не пере­вищує 0,6 Н/мм2.

Основні вузли гідропідсилювачів (рис. 8.4) і принцип дії:

I. Блок живлення, що складається з електродвигуна 1, насоса 2, фільтра 3

II. Золотниковий розподільник зі слідкуючим механізмом 4, який регулює подачу робочого тіла до виконавчого механізму пропорційно зусиллю, прикла­деному до рульового колеса.

Робочим тілом може бути повітря (пневмопідсилювач) і рідина (гідропід-силювач).

III. Виконуючий механізм - робочий циліндр 5 з силовим поршнем 6 і штоком 7, який створює допоміжні зусилля, прикладені при повороті до керо­ваних коліс.

На зупинці тролейбуса або при русі прямо циркуляція масла замикається по колу - насос, фільтр, золотник, насос. При повороті золотник відкриває дос­туп масла під тиском в одну з порожнин справа (труба 8) або зліва (труба 9) по­ршня ( в залежності від напрямку повороту). Зусилля передається на шток 7, що розташований на упорі 10 в рамі кузова і створює додаткове зусилля в перемі­щенні поздовжньої тяги. Відповідно з порожнин, що знаходяться без тиску ма­сло через золотниковий механізм трубами 11,12 повертається до насоса.

Рис. 8.4 - Схема дії підсилювача

8.7. Розрахунок основних елементів рульового керування на міцність

Приймаємо за розрахункову (як максимальну) гальмову силу Вк (рис. 8.5)

Вк = Ок-У, (8.7)

де Ок - вертикальне навантаження на колесо з урахуванням основного на­вантаження (вагового) та додаткового, тобто при русі в кривій, при динамічній дії навантаження, від сил інерції та від зусиль на схилі;

У - коефіцієнт зчеплення. Для фрикційної пари "гума - дорога" колеса з дорогою У = 0,4 - 0,8.

Гальмова сила Вк створює відносно осі повороту цапфи 1, якою є шворінь 2, момент Мц = Вк-1ц.

Розрахункова довжина цапфи 1ц повинна братися з урахуванням кутів роз­валу коліс.

Коли на обидва передніх колеса діють однакові гальмові сили Вк, на важелі 3 повертаючих цапф 1 діють однакові моменти Мц і напруження діють тільки в деталях рульової трапеції.

Рис. 8.5 - Схема до розрахунку рульового керування на міцність

При повороті коліс умова рівності моментів Мц порушується і поперечна тяга 4 навантажується силою Т. Вона буде максимальною, коли гальмує тільки одне колесо. Тоді

М     В ■ 1

Т = _ц _     к ц

11 ~ 11

(8.8)

1) Розрахунок поперечної рульової тяги

Поперечна рульова тяга діє на два види деформації - розтяг і поздовжній

згин.

Напруження розтягу: о

Тде Б - площа перерізу тяги (як правило труби).

Напруження на поздовжній згин (стійкість) розраховується за формулою Ейлера:

Т

0с    Б 1^ (8.9)

де Тс - критичне поздовжнє зусилля на стійкість;

Е - модуль пружності матеріалу тяги Е = 2,1-105 Н/мм2;

т ..... • п т т^4 J - момент інерції перерізу тяги діаметра О, Т =-

64

2) Розрахунок важелів.

Важелі 3,5,6 діють на згин, напруження при якому розраховуються за фор­мулою:

о зг =

Н

мм

(8.10)

де Мц - момент згину;

- момент опору згину (залежить від конструкції важелів)

3) Розрахунок поздовжньої тяги ведуть як і поперечної - з урахуванням її довжини 13.

4) Розрахунок сошки (важеля рульового механізму).

Рульова сошка діє на деформацію згину та кручення. Напруження згину сошки в небезпечному перерізі на відстані 14 від точки прикладення сили Т:

озс

ті± Г н 1

мм

(8.11)

Напруження кручення від ексцентриситету "е" прикладення сили Т:

Т ■ е

Н ~

' І 2

(8.12)

Еквівалентне напруження:

ое = >32с + 3тс2, (8.13)

де Wз і - моменти опору на згин і кручення небезпечного перерізу сош­ки (як правило, еліптичного перерізу).

5) Розрахунок рульового валу

' ~ Н

Напруження кручення: тв =

мм2 (8.14)

де МВ - момент на валу руля від дії коліс

Мв =    р.в. "Фр.м. , (8.15) і.

ш м

де     - момент опору валу на кручення; (Срів - діаметр рульового валу;

- ККД рульового механізму; і    - передавальне число рульового механізму.

ш

м

З другого боку момент, що діє від водія Мв = Рвтр; при силі водія Рв < 400 Н.

М1

Тоді можна розрахувати коефіцієнт підсилення підсилювача К = —-.

Мв

Розрахункові механічні напруження не повинні перевищувати максималь­но допустимі значення для матеріалу деталей (як правило [о] ~ 160 МПа).

8.8. Керованість

Керованість - це здатність РС стійко зберігати прямолінійний рух чи швидко та з невеликим зусиллям змінювати напрямок руху.

Для забезпечення керованості використовують 4 основних фактори:

1 - сили тертя в рульовому механізмі;

2 - вагова стабілізація керованих коліс;

3 - стабілізаційний фактор бокової реакції опорної поверхні шляху на дію бокових сил;

4 - стабілізаційний фактор за розрахунок спеціальної установки керованих коліс.

1) Сили тертя в рульовому механізмі

Рульовий механізм виконують на межі зворотності, тобто здатним легкопередавати зусилля керування від рульового колеса до керованих коліс, але не передавати зворотних зусиль від цих коліс до рульового керування та пере­шкоджати повороту коліс під дією на них випадкових сил з боку нерівностей шляху.

З цією метою нарізку на гвинті рульового механізму виконують з малим кутом підйому ниток: а = 8-10°, отже забезпечується великим передавальним числом рульового механізму (10-15).

2) Вагова стабілізація керованих коліс

Шворінь цапфи керованого колеса має нахил у поперечній площині на кут Ь - кут поперечного нахилу шворня (рис. 8.6).

/

 

Колесо с цапфою при виводі з положення руху "прямо" повертається на­вколо шворня в шарнірі балки. Воно повинне було б опускатись в площині т­т, перпендикулярній осі шворню, під рівень площини шляху на відстань її. При цьому з'являється стабілізуючий момент Мст, що прагне повернути колесо в нейтральне положення, при якому центр ваги машини займає нижнє найбільш стійке положення. Момент Мст зростає зі збільшенням кутів а ,а/; повороту ке­рованих коліс.

3) стабілізаційний фактор бокової реакції опорної поверхні шляху на дію бокових сил.

Для використання фактора бокової реакції шляху на бокову силу керова­них коліс створюють кут у нахилу шворню у поздовжній площині - кут поз­довжнього нахилу шворню (рис. 8.7).

 

При відхиленні керуючого колеса в напрямі стрілки V з'являється відцент­рова сила Рс, яка діє на машину і викликає бокову опорну реакцію Я керованих коліс. При наявності кута у бокова реакція Я створює відносно осі шворня на плечі "в" стабілізуючий момент Мсту = Я-в, який прагне повернути колесо в ней­тральне положення. Цей момент пропорційний силі Рс.

4) Стабілізаційний фактор за розрахунок спеціальної установки керованих коліс

Стабілізаційний фактор за розрахунок спеціальної установки керованих коліс, тобто установки коліс під кутами розвалу а та сходження ф (рис. 8.8).

Кут розвалу а - це кут нахилу колеса у поперечній площині. Кут а підви­щує легкість керування та зменшує навантаження деталей рульового приводу, скільки завдяки йому скорочується з "а" до "а" плече сили Рупр, та відповідного моменту керування Мупр = Рупр-а; керованих коліс.

 

Однак завдяки розвалу коліс виникає нерівномірність у розподіленні пи­томих тисків у зоні контакту колеса з шляхом та з'являється циркуляція парази­тних потужностей між його зрізами, які мають різні радіуси г1 і г2. Якщо прийн­яти, що за радіусом Я кочення відбувається без ковзання, то зрізи з радіусами г1 і г2 повинні проковзувати (по г1 - юзувати, по г2 - буксувати). В результаті сила тертя Б та момент МР = Б-с, який прагне повернути колесо навколо шворня. Че­рез наявність люфтів момент МР розводить колесо та створює кут розходження ф (рис. 8.9). До цього ж приводять сили опору руху Рруху, які створюють віднос­но осей шворнів моменти опору руху Му. Керовані колеса, що, працюючи під кутом ф розходження, мають підвищене проковзування і знос гуми. Це створюєдодатковий опір руху. Для ліквідації такого явища задають кут сходження ке­рованих коліс 8 - це кут установки коліс в горизонтальній площині - кут схо­дження.

Напружене становище у контакті коліс зі шляхом, та опір коченню керова­них коліс залежить від співвідношення кутів а і 8. Оптимальний кут 8 складає 15-20% від кута а. Його дію збільшують, ураховуючи зазори, та пружність елементів рульового приводу.

8.9. Стійкість

Критична швидкість руху тролейбуса з перекидання при русі в кривій Я = 50 м складає 75 км/год, тобто вище реалізованих швидкостей. Значить не­безпечніше занос осей тролейбуса при русі на повороті чи на прямій з поганим зчепленням (ожеледь, бруд). Частіше зустрічається занос ведучих осей, тому що при реалізації сили тяги вони можуть сприймати значно меншу бічну силу і починають ковзати раніше керованих осей. Іноді можливий занос і керованих осей, але він, як буде показано, менш небезпечний.

На ведучий міст підчас руху тролейбуса на повороті діє вертикальне нава­нтаження О і бічна сила Рс. Бічне ковзання ведучої осі починається, коли обидві результуючі реакції правого Я 2 і лівого Я 2 ведучих коліс досягають значень сил зчеплення ф172 і        У цьому випадку бічні навантаження коліс:

(У2)2 = (Ф72)2 - (Р;)2; (8.16) (У2)2 = №2)2 - (РЮ2; (8.17) де У2, У2 - бічні реакції, що діють відповідно на внутрішнє 1 і зовнішнє 2 ведучі колеса;

ф - коефіцієнт зчеплення колеса з дорогою підчас бічного ковзання, при­йнятий, звичайно таким, що дорівнює коефіцієнту зчеплення в площині кочен­ня \|/;

Рк ,РГ - сили тяги, реалізовані зовнішніми і внутрішніми колесами.

У2* У

Рис. 8.10 - Схема і характеристики силових факторів підчас руху тролей­буса в кривій

З огляду на те, що тяговою передачею забезпечується рівність сил тяги, реалізованих ведучими колісьми, тобто Рк=Рк і віднімаючи (8.16) з (8.17) оде­ржимо умову виникнення заносу осі.

Бічна сила дорівнює:

ОУ2 СУ2

Рс =-^ = фО або-^ = ф2. (8.16)

с     gR Я

де Утах - швидкість руху в момент початку заносу.

^ (8.17)

де К - колія; О - вага;

її - висота приложення сил Рс, О.

Порівнюючи коефіцієнт поперечної стійкості (8.17) з умовою (8.16) можнавизначити умови, при яких бічне ковзання починається раніше перекидання:

ф < — або ф<Пвуст (8.18) 2ї

Бічне ковзання ведучої осі починається з прослизання (юза) її внутрішньо­го колеса чи одночасного блокування обох коліс. Бічне ковзання осей підчас розгону починається з прослизання (буксування) внутрішнього чи одночасно обох коліс.