Статические и динамические характеристики рулевого управления с гидроусилителем

Входными величинами для всей системы рулевого управления в целом является усилие, прикладываемое водителем к ободу рулевого колеса, и угол поворота рулевого колеса, выходными - момент на поворотных кулаках управляемых колес и угол поворота управляемых колес.

Для усилителя входными величинами являются осевое усилие, смещающее золотник (или момент, под действием которого поворачивается золотник роторных распределителей) и перемещение золотника (угол поворота золотника), а выходной величиной - момент на валу сошки или усилие на штоке силового цилиндра.

Для усилителей, которые скомпанованы с рулевым механизмом, вместо перемещения золотника и усилия на золотнике удобнее пользоваться углом поворота рулевого вала и усилием на ободе рулевого колеса (моментом на рулевом валу).

Соответственно статическими характеристиками системы рулевого управления являются кривые зависимости угла поворота управляемых колес автомобиля от угла поворота рулевого вала и усилия на рулевом колесе от сопротивления колес повороту. Первая характеристика не зависит от усилителя и поэтому рассматриваться не будет.

Кривые зависимости усилия на рулевом колесе P_в от момента сопротивления колес поворота M_к приведены на рис. 38.

Рис. 38. Кривые зависимости усилия на рулевом колесе от сопротивления колес повороту для различных усилителей: 1 - без реактивного действия с центрирующими пружинами; 2 - с реактивным действием без центрирующих пружин; 3 - с реактивным действием и центрирующими пружинами; 4 - с ограниченным реактивным действием и центрирующими пружинами; 5 - идеального

Кривая 1 относится к усилителю, имеющему распределитель с центрирующими пружинами, без реактивного действия. Абсциссе M_к1 соответствует суммарное усилие, создаваемое на рулевом колесе сжатием центрирующих пружин и трением в рулевом механизме и распределителе в момент, когда золотник смещается на величину, соответствующую началу повышения давления. Затем усилие на рулевом колесе почти не увеличивается до тех пор, пока давление в системе не достигнет максимального значения (точка М_к2).

Разность усилий Р_в4 и Р_в1 объясняется дополнительным сжатием центрирующих пружин при дальнейшем перемещении золотника для повышения давления в системе, а также увеличением трения сальников о сопрягаемые детали с ростом давления.

При М_к>М_к2 прирост момента преодолевается только усилием водителя.

В системах рулевых управлений с усилителями с реактивным действием (кривая 2), но без центрирующих пружин усилие Р_в увеличивается пропорционально моменту М_к, начиная от М_к = 0 до момента, когда давление в системе станет максимальным. Если распределитель имеет реактивные элементы и центрирующие пружины, то до начала сжатия пружин водитель прилагает такое же усилие, как и при отсутствии усилителя, а затем усилие растет пропорционально площади реактивных плунжеров и давлению в системе (кривая 3).

Идеальным с точки зрения реактивного действия следует считать рулевое управление с распределителем, обеспечивающим характеристику, соответствующую кривой 5. Усилие на рулевом колесе увеличивается приблизительно по экспоненциальному закону в функции момента сопротивления колес повороту. При малых сопротивлениях колес повороту, соответствующих прямолинейному движению, реактивное действие достаточно велико и обеспечивает надежное чувство дороги. При больших сопротивлениях колес повороту, соответствующих повороту управляемых колес на месте или маневрированию, к рулевому колесу требуется прилагать небольшое усилие.

Наиболее близко такую зависимость имитирует распределитель с ограниченным реактивным действием (см. рис. 1, 10 и 11) с центрирующими пружинами. При моменте 0<М_к<М_к3 водитель прикладывает такое же усилие, как при отсутствии усилителя. При моменте М_к3<М_к<М_к4 усилие на рулевом колесе пропорционально реактивному действию, а при моменте в пределах М_к4<М_к<М_к2 - практически не увеличивается, так как давление в реактивные камеры не передается.

Статической характеристикой усилителя является зависимость между смещением золотника в корпусе распределителя (рассогласование в следящей системе) и усилием на штоке силового цилиндра (у усилителей, скомпонованных отдельно от силового цилиндра) или зависимость между углом поворота рулевого колеса и моментом на валу сошки (у усилителя, скомпонованного в одном агрегате с рулевым механизмом). Такие характеристики снимаются при неподвижном поршне силового цилиндра, т. е. при нулевом расходе жидкости Q в рабочих полостях (не считая утечек). При этом имеется в виду, что зазор в зацеплении рулевой пары отсутствует, когда вал сошки находится в среднем положении. На рис. 39 для примера приведены такие характеристики для нескольких усилителей. Углу α = 0 соответствует нейтральное положение рулевого колеса.

Рис. 39. Статические характеристики усилителей: а - скомпонованного в картере рулевого механизма (ЗИЛ-130), распределитель с центрирующими пружинами; б - скомпонованного в рулевом приводе без центрирующих пружин (типа MA3-503), с реактивным действием; в - имеющего распределитель с роторным золотником и центрирующим торсионом. M_c - момент на валу сошки, T_с.ц. - усилие на штоке силового цилиндра

У усилителей типа ЗИЛ золотник в нейтральном положении под действием центрирующих пружин устанавливается так, что размеры проходных щелей одинаковы, если золотник и его гильза имеют номинальные размеры. Угол поворота рулевого колеса, необходимый для включения усилителя, больше, чем у двух других рулевых механизмов (рис. 38), так как золотник (см. рис. 3) у этого усилителя смещается в осевом направлении вместе с винтом рулевого вала. Соответствующий угол поворота рулевого колеса в обе стороны до начала включения усилителя определяется по формуле

где h - шаг винта рулевого вала в мм.

Усилители фирмы Бендикс (см. рис. 20) имеют распределитель роторного типа; он поворачивается вместе с рулевым валом. Тот же зазор Δ₁ создает угол поворота

У усилителя типа МАЗ золотник управляется шаровым пальцем сошки и угол поворота рулевого колеса определяется по формуле

Характеристика усилителя с распределителем типа МАЗ не симметрична относительно нейтрального положения, так как центрирующих пружин в распределителе нет. В нейтральном положении золотник смещается в одну сторону вследствие разности усилий со стороны реактивных камер (см. рис. 9).

Динамическая характеристика усилителя рулевого управления может интересовать конструктора с точки зрения оценки времени срабатывания усилителя, плавности включения и устойчивости работы системы рулевого управления. Поскольку все перечисленные свойства зависят в равной степени как от усилителя, так и от остальных элементов системы рулевого управления, динамическая характеристика определяется для рулевого управления с управляемой осью в сборе. Она может быть получена на стенде, на котором устанавливается передняя ось и рулевое управление, или непосредственно на автомобиле.

Динамической характеристикой усилителя рулевого управления называют зависимость момента на рулевом колесе от времени после резкого изменения скорости вращения рулевого колеса. В процессе включения усилителя момент зависит от величины кинематического рассогласования между углами поворота рулевого колеса и управляемых колес (с учетом передаточного отношения).

Для исчерпывающей оценки динамических качеств системы рулевого управления с усилителем, поскольку она существенно нелинейна, необходимо иметь множество динамических'характеристик для всего диапазона возможных чисел оборотов рулевого колеса и нагрузок на управляемую ось.

На практике для суждения об устойчивости и быстродействии системы достаточно иметь несколько характеристик, соответствующих сопротивлению колес повороту ненагруженного автомобиля при маневрировании и нескольким скоростям вращения рулевого колеса.

Возможные виды динамических характеристик изображены на рис. 40. Характеристика строится по результатам записей усилия на рулевом колесе и угла или скорости поворота рулевого колеса. По последним двум параметрам можно определить, правильно ли выдержан режим испытаний. Момент М_ву соответствует установившемуся режиму поворота, момент М_вд - переходному процессу. Момент М_в1 - расчетный момент на рулевом валу, соответствующий угловой скорости рулевого колеса ω = 0.

Рис. 40. Динамические характеристики усилителей (ω_α = 1,5 ^об/_сек): 1 - идеальная; 2 - типичная; 3 - системы, производительность насоса которой недостаточна; 4 - усилителя с малым ходом золотника; 5 - системы, имеющей склонность к возбуждению колебаний управляемых колес

Если производительность насоса недостаточна (кривая 3), М_ву>М_в1, Отношение ^М_вд/_Мву характеризует нестабильность работы усилителя по скорости вращения рулевого колеса.

Если давление в гидросистеме возрастает со значительным опаздыванием, поворот управляемых колес может начаться под действием усилия водителя, прилагаемого к рулевому колесу. После того, как давление в системе гидроусилителя превысит расчетное, что может произойти, так как золотник находится в крайнем положении, силовой цилиндр воспримет нагрузку, и между золотником и корпусом восстановится зазор, соответствующий значению момента М_ву.

При недостаточной жесткости связи силового цилиндра с управляемыми колесами или при недостаточной объемной жесткости гибких шлангов характеристика соответствует кривой 5. Колебания момента М_в свидетельствуют о склонности усилителя к возбуждению колебаний управляемых колес.

Во время испытаний угловая скорость рулевого вала легковых автомобилей и грузовых автомобилей малой и средней грузоподъемности должна доходить до 1,5 ^об/_сек, а грузовых автомобилей большой грузоподъемности - до 1 ^об/_сек.

Указанные характеристики являются основными, определяющими эксплуатационные качества рулевого управления и зависящими от конструкции усилителя. Характеристики не отражают влияния усилителя на стабилизацию управляемых колес и степень восприятия усилителем обратных ударов со стороны дороги на рулевое колесо. Эти качества рулевого управления и усилителя выявляются при дорожных испытаниях.

Стабилизация управляемых колес зависит от многих конструктивных параметров автомобиля. Колеса возвращаются в нейтральное положение под действием стабилизирующего момента, возникающего независимо от усилителя. Усилитель в определенных условиях может препятствовать стабилизации, поэтому автомобили, на которых установлены усилители, нужно подвергать соответствующим испытаниям. Стабилизация управляемых колес оценивается по скорости возвращения рулевого колеса в нейтральное положение при выходе автомобиля из поворота постоянного радиуса и по углу, на который рулевое колесо не доходит до нейтрального положения. Скорость движения автомобиля и радиус поворота регламентируются методикой испытаний.

Удары со стороны дороги гасятся усилителем. Управляемые колеса включают усилитель со стороны дороги и он препятствует дальнейшему перемещению деталей рулевого управления. Оценка этого свойства усилителя производится по усилиям на рулевом колесе во время переезда препятствий отдельно правыми и .левыми колесами.

Рассмотренные характеристики и свойства системы рулевого управления с усилителем определяются соответствующими характеристиками элементов системы: рулевого механизма, распределителя, усилителя, насоса, силового цилиндра и др.

Параметры насоса влияют практически на все перечисленные свойства усилителя. У насоса входными величинами являются момент на валу ротора и число оборотов (их произведение определяет потребляемую мощность), выходными - давление в напорном трубопроводе и расход. Поэтому качества насоса оцениваются по зависимости производительности насоса от числа оборотов при различных давлениях и мощности, потребляемой насосом в функции от числа оборотов также при определенных давлениях.

Комплексными характеристиками являются зависимости общего и объемного к. п. д. насосов от давления.

Зависимости производительности насосов от числа оборотов (рис. 41) имеют перегиб в точке A, соответствующей открытию клапана расхода. При дальнейшем увеличении числа оборотов ротора характеристика протекает более полого. Обычно точке A соответствует число оборотов холостого хода или несколько большее. За точкой A производительность насоса не должна зависеть от числа оборотов. В действительности с увеличением давления производительность насоса при большом числе оборотов (за точкой A) несколько возрастает, так как с ростом давления затрудняется работа клапана расхода.

Рис. 41. Зависимость производительности гидронасосов от числа оборотов ротора: 1 - фирмы Хайдростир, тип 37, роликовый, давление 70 ^кГ/_см²; 2 - серии Альги (фирмы К'альцони), давление 100 ^кГ/_см²; 3 - фирмы Виккерс, давление 10 ^кГ/_см²; 4 - ЗИЛ-130, давление 55 ^кГ/_см²; 5 - DBA, шестеренный, давление 50 ^кГ/_см²

Значительное повышение производительности с ростом числа оборотов приводит к излишне резкому включению усилителя и в некоторых случаях к неустойчивости его работы, а также к увеличению гидравлических потерь в трубопроводах и к перегреву масла.

Работа клапана ограничителя давления оценивается зависимостью p = f(n_н) при полностью перекрытой напорной магистрали. Давление должно мало зависеть от числа оборотов (n_н - число оборотов насоса). Так, например, у насоса ЗИЛ-130 клапан ограничителя давления начинает открываться при давлении 55 ^кГ/_см². С увеличением числа оборотов давление возрастает до 65-70 ^кГ/_см².

График зависимости мощности, потребляемой насосом, от числа оборотов необходим для расчета привода насоса. Он строится при максимальном давлении.

Общий к. п. д. насоса, зависящий от механического трения, гидравлических потерь и утечек внутри насоса, находится только для одного числа оборотов, соответствующего производительности, несколько меньшей номинальной (левее точки A, т. е. когда клапан расхода еще не открыт), и при давлении, несколько меньшем максимального (клапан давления закрыт). Для определения общего к. п. д. при числе оборотов насоса, больших числа оборотов, соответствующих точке A, клапан расхода стопорят или, если позволяет конструкция, крышку корпуса заменяют специальной, без клапана.

Внутренние утечки жидкости и объемный к. п. д. насоса характеризуют качество подгонки рабочих деталей насоса и износ насоса. Объемный к. п. д. определяется в зависимости от числа оборотов при максимальном давлении, причем клапаны расхода и давления стопорят.

Уменьшение объемного к. п. д. с увеличением числа оборотов свидетельствует о начале кавитации во всасывающей полости. Если этот участок характеристики попадает в рабочий диапазон чисел оборотов, следует на входе в насос создать избыточное давление.

Распределители характеризуются давлением и расходом жидкости, на которые они рассчитаны, а также приводным усилием. Максимальное рабочее давление для данного распределителя назначается из условия герметичности и прочности уплотнения, а максимальный расход жидкости - из условия минимальных потерь на перетекание ее в распределителе при нейтральном положении золотника (p_min, рис. 42).

Рис. 42. Статические характеристики распределителей: 1 - типа ЗИЛ-130; 2 - типа МАЗ-500; 3 - с роторным золотником

Статистическими характеристиками распределителя (рис. 42) являются зависимости давления в рабочей полости p = f(Δ) и осевого усилия на золотнике T_э = f(p) при неподвижном поршне и при заданной производительности насоса. Участку Δ₁ соответствует свободный ход золотника. На участке Δ₂ после перекрытия рабочих кромок давление резко увеличивается до давления p_max. Участок Δ₀ соответствует полному ходу золотника в одну сторону. Величина участка Δ₂ и крутизна кривых зависят от формы рабочих кромок золотника, величины радиального зазора, диаметра золотника и производительности насоса. Золотники распределителя, у характеристик которых участок Δ₂ получается больше, включаются более плавно. Это достигается подбором формы рабочих кромок и уменьшением хода. Распределители с большими радиальными зазорами имеют также более пологую характеристику, но за счет участка Δ₃. У распределителей с роторными золотниками, которые имитируют чувство дороги упругостью центрирующего торсиона (см. рис. 21), характеристика должна быть обязательно пологой, иначе не создается имитация чувства дороги.

Участок Δ₀-Δ₁ = Δ₃+Δ₂ определяется гидравлическим расчетом. По мере износа распределителя участок Δ₃ уменьшается, поэтому во всех случаях у новых распределителей он должен быть не менее 0,5 мм.

Давление p_Υmin, соответствующее нейтральному положению золотника, определяется гидравлическими потерями в распределителе на перекачивание жидкости по кругу насос - распределитель-насос при невключенном усилителе.

При неточном выполнении золотника характеристики могут быть несимметричными относительно Δ = 0. Распределитель может считаться пригодным, если характеристики смещены от нейтрального положения на величину, меньшую Δ₁.

В распределителях без центрирующих пружин с разными реактивными площадями справа и слева от золотника, как уже отмечалось, смещение характеристики относительно нейтрального положения предусмотрено конструкцией.

Для распределителей, скомпонованных отдельно от рулевого механизма, реактивное действие оценивается зависимостью T₃ = f(p), а для распределителей, встроенных в рулевой механизм,- зависимостью M_в = f(p). Характеристики имеют такой же вид, как и статические характеристики усилителей.

Основными показателями силового цилиндра являются его объем, давление, на которое он рассчитан, объемный и механический к. п. д. К. п. . может несколько меняться в зависимости от давления. В расчетах принимают среднюю величину (см. выше).