Рулевые соединения

Рулевые системы, используемые на автомобилях, сильно различаются по конструкции [1,2,3], но функционально очень похожи. Некоторые из них показаны на Рисунке 8.1.

Рис. 8.1. Изображения типичных систем рулевого управления.

Рулевое колесо соединяется валами, универсальными соединениями и виброизоляторами с рулевым редуктором, назначение которого заключается в преобразовании вращательного движения рулевого колеса в поступательное движение, необходимое для управления колёсами. Реечно-шестерёночная (rack-and-pinion) система состоит из линейно движущейся рейки и шестерни, установленной на теплозащитном кожухе двигателя или передней поперечине, которая непосредственно управляет левым и правым колесом с помощью тягового соединения. Поперечная рулевая тяга соединяется с рулевыми рычагами на колёсах, управляя тем самым углом поворота. Если рулевая тяга расположена перед центром колеса, как показано на Рисунке 8.1, то это конфигурация называется передней рулевой трапецией (forward- steer configuration).

Рулевой редуктор (steering gearbox) является альтернативной конструкцией, используемой на легковых автомобилях и лёгких грузовиках. Она отличается от реечно-шестерёнчатой в том, что смонтированный на раме рулевой редуктор вращает рулевую сошку (pitman arm), которая управляет углом поворота левого и правого колеса через ряд передаточных рычагов и соединений, конкретная конфигурация которых варьируется от одного транспортного средства к другому. Конфигурация с задней рулевой трапецией (rear-steer configuration), показанная на рисунке, определяется по тому, что тяговые соединения соединяется с рулевым рычагом позади центра колеса.

Из этих двух, реечно-шстерёнчатая система получает всё большую популярность на легковых автомобилях из-за очевидных преимуществ меньшей сложности, более простого приспособления к системам с передним приводом и способности адаптироваться к транспортным средствам без рам. Основное функциональное отличие в рулевых системах, используемых на тяжёлых грузовиках, заключается в том, что смонтированный на раме рулевой редуктор управляет левым колесом машины через продольный трос, а правое колесо управляется от левого колеса через тяговое соединение [ 1].

Основным средством для численного уменьшения от вращательного воздействия от рулевого колеса к вращательному выходу вокруг оси управления является редуктор. Отношения угла рулевого колеса к углу колеса машины обычно меняются в зависимости от угла, но обычно имеют порядок 15 к 1 в легковых автомобилях и до целых 36 к 1 в некоторых тяжёлых грузовиках. Изначально все реечно-шестерёнчатые редукторы имели фиксированное передаточное отношение и в этом случае любое изменение в соотношении с углом поворота достигалось за счёт геометрии связей. Сегодня доступны реечно-шестерёнчатые системы, которые меняют своё передаточное отношение непосредственно в зависимости от угла поворота.

Боковое перемещение, создаваемое редуктором, передаётся через соединения к рулевым рычагам на левом и правом колесе. Кинематическая геометрия передаточных рычагов и рычагов управления, как правило, не параллелограмм (который создавал бы равные углы управления слева и справа), а трапеция, лучше соответствующая геометрии "Аккермана", которая поворачивает внутреннее колесо на больший угол, чем внешнее колесо. Геометрия Аккермана показана на Рисунке 8.2.

Рис. 8.2. Геометрия поворота Аккермана.

Из анализа треугольников можно легко показать, что правильная геометрия Аккермана требует, чтобы:

(8-1)

(8-2)

Для малых углов, что характерно для большинства поворотов, арктангенс угла очень близок к самому углу (в радианах), оправдывая приближения, показанные в правой части уравнений.

Идеальных углов Аккермана трудно добиться в практических конструкциях рычагов, но близкое приближение достигается трапециевидным положением, как показано на Рисунке 8.3. Когда колёса повёрнуты вправо или влево, асимметрия в геометрии заставляет внутреннее колесо повернуть на больший угол, чем внешнее колесо. Когда тяги находятся позади центра колёс, как показано на рисунке, шаровые соединения рулевых рычагов находятся с внутренней стороны рулевой оси и обеспечивается хороший зазор между колесом. Если рулевое управление разработано с рулевыми тягами, находящимися впереди центров колёс, шаровые соединения рулевых рычагов должны быть снаружи от оси вращения управления на колёсах для того, чтобы быть ближе к геометрии Аккермана. В этом случае помехи от колеса обычно препятствует конструкции для получения хорошего соответствия углам Аккермана. Правильное проектирование геометрии Аккермана зависит от колёсной базы транспортного средства и ширины колеи передней оси. Методы разработки просты и доступны в литературе [1]. Степень, в которой на транспортном средстве достигается геометрия Аккермана, имеет малое влияние на поведение отклика направленности при высокой скорости, но влияет на крутящий момент самоцентрирования при маневрах на низкой скорости [4]. При соответствии геометрии Аккермана крутящий момент сопротивления повороту будет расти вместе с углом поворота. Тем не менее, при параллельном управлении (без геометрии Аккермана), крутящий момент сначала будет расти вместе с углом, но затем при достаточно больших углах может уменьшаться (и даже стать отрицательным).

Рис. 8.3. Разница в управлении из-за от трапециевидного расположения рулевых тяг.