Инструментальное и методологическое обеспечение экспериментальных исследований рулевого управления автотранспортных средств

Рис. 7.Экспериментальная зависимость изменения критерия качества РП ВАЗ-2103 с пробегом 180 тыс. км и аварийным состоянием РП

Отмечено, что для автомобилей рассматриваемого класса из-за наличия в правой (по ходу движения) половине рулевого привода маятникового рычага, который при деформации РП перемещается в вертикальной плоскости, жёсткость её несколько меньше жёсткости левой половины, что определило введение корректирующего коэффициента.

Исходные данные для определения работы, затрачиваемой в рулевом приводе на преодоление упругих деформаций и зазоров в подвижных сопряжениях РП, определялись по гистерезисным характеристикам смещений. Последние снимались при установке управляемых колёс в пять фиксированных положений на поворотных площадках и записи приращения расстояния между дисками УК от усилия между ними на прямом и обратном ходе подвижного штока силового цилиндра.

Гистерезисные характеристики смещений в РП позволили оценить влияние состояния различных групп подвижных сопряжении РП и его упругости на величину момента сил трения в РП и на характер изменения угла поворота управляемого колеса на величину смещений в РП в различных режимах нагружения рулевого привода.

Экспериментальные зависимости приращения расстояния между дисками управляемых колёс от усилия, созданного между ними впереди передней оси, построенны по результатам первого измерения (* - *), когда после создания начальных условий, т.е. предварительной деформации РП, проявляются обратимые и необратимые смещения, и третьего измерения ( ), когда проявляются только обратимые смещения, т.е. упругие деформации.

Гистерезисные характеристики для модели ВАЗ с пробегом 180 тыс. км, но с аварийным состоянием РП имеют вид (рис. 8).

Однако, в этом случае работа необратимых смещений достигает 52% всей затраченной, что в 2,3 раза больше работы, затраченной на преодоление обратимых и необратимых смещений в прямолинейном положении управляемых колёс первого автомобиля с пробегом 15 тыс. км. Некоторое увеличение работы для углов поворота УК 10° по сравнений с её значением для 5° объясняется формированием зазоров в шарнирах осей поворотных стоек и износом сайлент-блоков.

Таким образом, обратимые смещения играют положительную роль в гашении плавно нарастающих усилий в РП, вызванных действием макропрофиля дорожного полотна. Работа необратимых смещений компенсирует действие плавно нарастающих нагрузок, вызванных действием микропрофиля дорожного полотна и другими возмущениями. Это улучшает курсовую устойчивость движения и снижает утомляемость водителя.



Рис.8.Гистерезисные характеристики смещений в рулевом приводе от усилия в нём для различных угловых положений УК модели 2103 с пробегом 183 тыс. км и аварийным техническим состоянием РП

Однако возрастание величины смещений в РП отрицательно сказывается на управляемости автомобиля, резко увеличивая время переходных процессов между поворотами рулевого и управляемых колёс, затрудняя обеспечение заданной траекторий движения автомобиля и вызывая увеличение утомляемости водителя.

Кроме того, наличие необратимых смещений в РП создаёт благоприятные условия для возникновения автоколебаний УК и в совокупности с обратимыми смещениями - резонанса колебаний, снижая управляемость автомобиля и повышая износ шин. Это подтвердили дорожные испытания, а также выводы исследований: А.С. Литвинова и др.

Накопленные в лабораторных исследованиях статистические данные показали значительное влияние характеристик и состояния рулевых шарниров на критерий качества РП и формирование смещений в нём. Так, на рисунках 9 и 10 показаны изменения отмеченных ранее критериев состояния рулевых шарниров для выборки (50 ед.) новых ( ), и (22 ед.) снятых с эксплуатации (х - х) рулевых шарниров модели ВАЗ, построенные по величинам их математических ожиданий.



Рис.9. Зависимости изменения радиального смещения в рулевом шарнире от усилия для: I - новых (50 ед.) и 2 - изношенных (22ед) шарниров (по величинам математических ожиданий выборка)

Рис.10. Зависимость изменения момента сопротивления шарового пальца повороту от его углового положения в наконечнике тяги, т.е. стабильность для: I ~ новых и 2 - изношенных шарниров

Из рисунка 9 следует, что заметное увеличение относительного радиального смещения элементов новых рулевых шарниров наблюдается при радиальном усилии большем 35 даН, в то время как для изношенных шарниров заметное увеличение смещения наблюдается yжe при величине радиального усилия 10 даН и характер его изменения аналогичен такой же зависимости, но для рулевого привода в целом (рис. 10).

Отмечено также, что приложение радиального усилия к шаровому пальцу вызывает его одновременное осевое перемещение, т.е. «выжимание» из гнезда наконечника рулевой тяги, характер которого зависит от геометрии износа сопряжений рулевого шарнира. Осевое усилие пружины по мере износа шарниров уменьшилось в 3 раза, а зазоры возросли в 4,5 раза, причём наблюдались случаи поломки пружины при потере жесткости.

Важной характеристикой эксплуатационного состояния рулевых шарниров является момент сопротивления шарового пальца повороту и его стабильность, определяющие момент сил трения в РП. Так, из рисунка 10 следует, что момент сопротивления шарового пальца повороту для изношенных шарниров уменьшается в 9-10 раз, а его стабильность при повороте характеризует эллиптическую геометрию износа сопряжения по сравнению с новыми шарнирами, но стабильность отсутствует и для них.

Одномерный статистический анализ выборки новых рулевых шарниров показал, что дисперсия их характеристик значительна, кроме усилия отрыва шарового пальца и жёсткости пружины шарнира, коэффициент вариации которых составил, соответственно, 0,13 и.-0,12. Для моментов сопротивления шарового пальца повороту коэффициент вариации стабилен для всех четырёх положений и равен 0,50-0,54.

При этом статистические ряды основных характеристик, определяющих эксплуатационное состояние новых рулевых шарниров, т.е. момента сопротивления шарового пальца повороту и относительного радиального смещения соответствуют экспоненциальному закону распределения.

Одномерный статистический анализ выборки снятых с эксплуатации рулевых шарниров показал, что усилие отрыва шарового пальца уменьшается в 8 раз по сравнению с новыми шарнирами и в 2 раза по сравнению с жёсткостью пружины при ходе шарового пальца. Момент сопротивления шарового пальца повороту в сравнении с новыми шарнирами уменьшился в 15 раз, а нестабильность возросла в 2 раза.

Это свидетельствует о резком нарушении силового замыкания и является причиной интенсивного износа поверхности подвижных сопряжений. Причём радиальное смещение увеличилось с 0,118 до 0,417 мм, а его стабильность уменьшилась в 2 раза с увеличением усилия до 40 даН. Удовлетворительное согласие с экспоненциальным законом распределения наблюдалось для жёсткости пружины, радиальных и необратимых смещений.

Результаты парного корреляционного анализа характеристик и состояния новых/снятых с эксплуатации рулевых шарниров показали, что для новых шарниров относительно высокая степень корреляции характерна только между усилием отрыва пружины шарнира и её жёсткостью - до 0,833, при этом влияние линейного и нелинейного характера связей равнозначно. Также слабо (до 0,586) скоррелированы необратимые и относительные радиальные смещения элементов.

Для снятых с эксплуатации рулевых шарниров характерна теснота корреляционной связи, близкой к функциональной между необратимыми и относительными радиальными смещениями, причём более характерен нелинейный эффект. При этом, наблюдается уменьшение корреляционного отношения с 0,979 до 0,928 при увеличении радиального усилия с 20 до 40 даН.

Результаты множественного регрессионного анализа характеристик и состояния новых и снятых с эксплуатации рулевых шарниров ВАЗ показали, что для новых рулевых шарниров как относительные, так и необратимые радиальные смещения элементов рулевых шарниров слабо скоррелированы (до 0,699) с рассмотренными ранее характеристиками. Это значит, что в уравнениях регрессии не учтён ряд факторов, связанных с качеством сборки и дисперсией свойств новых рулевых шарниров.

Для снятых с эксплуатации рулевых шарниров характерна высокая степень корреляции между относительными и необратимыми радиальными смещениями и рассмотренными критериями эксплуатационного состояния шарниров, достигающая, соответственно: 0,976 и 0,974.

Это свидетельствует, что учтены наиболее значимые факторы, определяющие величины необратимых и относительных радиальных смещений, которые могут служить критериями оценки эксплуатационного состояния шарниров, а наиболее значимые характеристики - момент сопротивления шарового пальца повороту и жёсткость осевой пружины шарнира рулевых тяг.

Таким образом, основные причины отказа рулевых шарниров - снижение жёсткости пружины и уменьшение момента сопротивления повороту шарового пальца. Поэтому необходимы мероприятия по уменьшению дисперсии свойств новых рулевых шарниров при их изготовлении и сборке.

8.2 Результаты стендовых исследований эксплуатационного состояния рулевого привода легковых автомобилей

В стендовых условиях оценивалась кинематика РП с учётом силового нагружения в диапазоне, соответствующем средним условиям эксплуатации, и уровня его технического состояния. Для этого исследовался характер изменения критерия качества РП при установке УК в ряд фиксированных положений в обе стороны (рис. 11-12). Причём экспериментальные точки не показаны, т.к. результаты обработаны методом наименьших квадратов в логическом блоке стенда, а угол наклона прямой характеризует усреднённую величину критерия качества РП.

На рисунке 11 показана зависимость приращения расстояния между дисками УК от усилия, созданного между ними, т.е. изменение величины критерия качества РП при повороте УК в ряд фиксированных положений в обе стороны для модели «M-2140» с пробегом 30 тыс. км. При этом усреднённые значения критерия качества РП располагаются несимметрично при повороте УК влево (рис. 11а) и вправо (рис. 11б) на один и тот же угол, что свидетельствует о нарушении заданной при проектировании кинематики РП.

Отсюда следует, что автомобиль эксплуатируется с уводом вправо, что проявляется большим износом сопряжений РП при установке УК влево на угол до 10°. Однако нарушение кинематики РП несущественно, но свидетельствует о нарушении углов установки управляемых колес и эксплуатации шин с пониженным давлением воздуха.

На рисунке 12 показан характер изменения критерия качества РП для автомобиля ВАЗ-2103 с пробегом 180 тыс. км и аварийным состоянием рулевого привода. Причём абсолютная величина критерия качества РП превышает допускаемые величины, а характер её изменения при повороте УК вправо (рис. 12а) отличается также значительной несимметричностью расположения зависимостей.

Наибольшее значение критерия качества РП при углах поворота 10° в обе стороны свидетельствует об аварийном состоянии шарниров оси поворотной стойки подвески и сайлент-блоков и объясняется изменением плеч, на величине которых приложено усилие.

Для этого автомобиля характерно значительное (25-30%) снижение чувствительности к управлению, что проявляется «рысканием» при движении.

Одномерный статистический анализ характеристик и состояния рулевого привода выполнен на примере выборки автомобилей базовых моделей ВАЗ. Причём была также подтверждена возможность раздельного определения упругости и зазоров в подвижных сопряжениях рулевого привода. Так, средняя величина смещений в РП при усилии в нём 30 даН отличается от суммы средних величин упругости и зазоров в РП не более 0,7%.

Наиболее стабильны упругость РП и смещение в его кинематической цепи, коэффициент вариации которых, соответственно: 0,29 и 0,39, причём последний стабилизируется с величины усилия в РП 25 да Н. Наименее стабильны величина зазоров в сопряжениях РП и пробег автомобилей, коэффициент вариации которых, соответственно: 0,77 и 0,87.

Проверка соответствия характеристик и состояния рулевого привода законам распределения показала, что удовлетворительное согласие с нормальным законом распределения имеют необратимые смещения т.е. зазоры в сопряжениях РП и общий пробег, а с экспоненциальным - смещение в кинематической цепи РП при всех режимах нагружения и величина обратимых смещений, т.е. упругость рулевого привода.

а) б)

Рис. 11.Зависимости изменения критерия качества РП от угла поворота управляемых колёс: а - влево, б - вправо для автомобиля «Москвич - 2140» с пробегом 30 тыс. км

а) б)

Рис. 12.Зависимости изменения критерия качества РП от угла поворота УК: а - вправо, б - влево для модели ВАЗ-2103 с пробегом 180 тыс. км и аварийным техническим состоянием РП

Парный корреляционный анализ выполнен для оценки характера и тесноты связей между характеристиками и состоянием рулевого привода. При этом рассмотрены как линейные, так и нелинейные эффекты взаимодействия, а использование «индекса корреляции» позволило рассматривать параметры и не имеющие нормального совместного распределения. Для расчёта использованы результаты дисперсионного анализа, данные по которому не приводятся, т.к. по ним не были сделаны обобщающие выводы.

Результаты парного корреляционного анализа РП базовых моделей ВАЗ/АЗЛК с учётом линейного - Л и нелинейного - НЛ характера связей показали, что относительно высокая степень корреляции отмечена только между критерием качества РП и зазорами в его подвижных сопряжениях, которая при создании усилия в РП от 10 до 30 даН увеличивается с 0,697 до 0,906. Причём для моделей ВАЗ эти связи имеют более выраженный линейный характер.

Таким образом, по сравнению со свободным ходом рулевого колеса, имеющем слабую корреляционную связь с необратимыми смещениями и практически отсутствие корреляционной связи с обратимыми смещениями, более стабильным оценочным параметром эксплуатационного состояния рулевого привода является критерий качества РП.

Множественный регрессионный анализ выполнен для выяснения тесноты, направления и характера связей между характеристиками и состоянием РП при условии одновременного действия не менее четырёх факторов, характеризующих эксплуатационное состояние рулевого привода.

Из полученных в результате анализа уравнений регрессии и параметров их оценки следует, что наибольшую тесноту связи имеют необратимые смещения с критерием качества, люфтом рулевого колеса и пробегом автомобиля. Наибольший «вес» имеет критерий качества РП, причём преобладает нелинейный характер влияния. Люфт рулевого колеса влияет менее значимо и преобладает линейный характер.

На изменение критерия качества РП наибольшее влияние оказывают необратимые и обратимые смещения в подвижных сопряжениях РП, причём наблюдается линейный характер влияния этих факторов, а значимость резко увеличивается по мере нарастания усилия в РП с 10 до 30 даН, соответственно: с 0,147 до 1,04 и с 0,106 до 1,21.

Используя «индекс корреляции», полученные уравнения сравнивались и оценивалась степень их близости функциональной зависимости. Так, для уравнений, описывающих зависимость критерия качества РП от обратимых смещений (упругости РП), люфта рулевого колеса и пробега автомобиля, с увеличением усилия в рулевом приводе наблюдается снижение тесноты связи, уменьшение «индекса корреляции» с 0,616 до 0,408.

Для уравнений, описывающих зависимость критерия качества РП от необратимых смещений (зазоров в сопряжениях РП), люфт рулевого колеса и пробега автомобиля, с увеличением усилия в рулевом приводе теснота связи увеличивается с 0,664 до 0,871.

Таким образом, нулевая гипотеза о том, что все коэффициенты регрессии (кроме свободного члена) равны нулю для критерия качества и необратимых смещений в РП, отвергается, в то же время другие уравнения регрессии могут быть использованы при моделировании с допустимой погрешностью.

Выполняя анализ интерполяционной формулы и результатов полного факторного эксперимента «24» можно отметить, что по силе влияния на критерий качества РП исследованные факторы располагаются в следующем порядке: усилие в РП, величина необратимых смещений (зазоров) и пробег автомобиля. Влияние люфта рулевого колеса на формирование критерия качества РП следует считать незначимым.

При возрастании перечисленных факторов смещения в кинематической цепи РП увеличиваются, причём в большей степени от усилия в РП и величины зазоров. Влияние пробега в 5 раз менее значимо по сравнению с усилием в РП и в 2 раза - по сравнению с зазорами. Эффекты взаимодействий исследованных факторов, соответственно, в 5 и 1,5 раза меньше линейных эффектов.

При этом наиболее значимо совместное влияние усилия в РП и величины зазоров в его подвижных сопряжениях, а совместное влияние усилия в РП и пробега автомобиля, а также люфта рулевого колеса и пробега на 30-35% менее значимо влияет на формирование смещений в кинематической цепи рулевого привода. А так же, перечисленные эффекты взаимодействия при их возрастании приводят к увеличению смещений в кинематической цепи РП. Эффект же взаимодействия величины зазоров в подвижных сопряжениях РП и люфта рулевого колеса при их возрастании приводит к уменьшению смещений в РП, что может быть объяснено с позиций формирования свободного хода рулевого колеса, где доля рулевого привода меньше доли рулевого механизма, что будет рассмотрено ниже.

8.3 Результаты дорожных и сравнительных исследований характеристик и состояния рулевого привода

Исследования показали удовлетворительные результаты использования разработанного метода измерения смещений в РП и рулевых шарнирах.

Так, в режиме прямолинейного движения со свободным рулём на асфальтобетонном шоссе со скоростью 8,4 м/с осциллографическая запись, (рис.13) показала, что величина смещений элементов рулевых шарниров не превышает 0,15-0,18 мм, а усилий в рулевом приводе - 12-15даН

Частота колебаний шарового пальца в наконечнике тяги в этом режиме составила 3,5-4 Гц. Причём, наблюдались участки силового замыкания элементов рулевых шарниров в моменты времени 0,75-1,05 сек.

Увеличение скорости до 16,8 м/с при фиксированном РК (рис. 14) приводит к возникновению высокочастотных колебаний усилий в РП, причём частота колебания усилия на левом поворотном рычаге цапфы в 1,05 - 1,15 раза больше, чем на правом. Это объясняется меньшей жёсткостью правой половины РП за счёт маятникового рычага и оправдывает введение коэффициента. Частота колебаний шарового пальца в наконечниках рулевых тяг при этом уменьшается до 2-2,5 Гц, однако амплитуда увеличивается в 2-2,5 раза, достигая 0,35-0,45 мм. При этом области силового замыкания элементов рулевых шарниров наблюдаются в 2,5-3 раза реже и по времени они занимают не более 0,5-0,75 сек.

Рис.5.13. Осциллографическая запись усилий на рулевой сошке, правом и левом поворотных рычагах цапфы 2 относительных смещений шарового пальца в

В отмеченных режимах испытаний смещения в правом и левом рулевых шарнирах происходят примерно одновременно. Причём, синхронность не нарушается ни при увеличении скорости, ни при движении со свободным или фиксированным рулевым колесом. Смещения элементов рулевых шарниров, складываясь, вызывают изменение схождения на 35-40%, что доказывает целесообразность введения средней величины смещений.

Характер изменения смещения шарового пальца относительно наконечника тяги от усилия на поворотном рычаге за 1 сек после начала разгона на прямолинейном участке при фиксированном РК со скорости 11,2 м/с (рис. 15) аналогичен этим же зависимостям, полученным в стендовых и сравнительных исследованиях, что доказывает целесообразность применения разработанной методики оценки эксплуатационного состояния РП и режимы его нагружения. Величина смещений для левого рулевого шарнира испытуемого автомобиля на 12-15% больше правого.

Движение по прямолинейной траектории и фиксированным РК со скоростью 16,4 м/с по щебёночному покрытию характеризуется резким увеличением амплитуды колебаний смещения в рулевом приводе (рис. 16).Частота колебаний в низкочастотной области при этом 0,5-0,75 Гц.

Режим неустановившегося движения в момент входа в поворот (3-5 сек) для радиуса поворота и скорости, обеспечивающих боковое ускорение 4 м/с2, характеризуется резким колебанием величины и направления усилия, а также смещения в РП, т.к. моменты на рулевой сошке и УК имеют разные знаки. Это приводит к снижению чувствительности испытуемого автомобиля к управлению.

Результаты осциллографирования, обработанные на ЭВМ , приведены на рисунке 17, где показана зависимость изменения критерия качества РП в течении 3 сек после начала входа в поворот. Причём вход испытуемого автомобиля в правый поворот характеризуется более интенсивным нарастанием усилия в левой половине РП и относительно резким приращением смещения. При входе в левый поворот большее влияние имеют упругие деформации, усилие и смещение в РП нарастают более плавно.

Вход автомобиля в поворот при тех же условиях, но на щебеночном покрытии характеризуется значительными колебаниями смещений в РП, достигающими 0,5-0,75 мм от средней величины в момент входа в поворот.



Рис.1



Рис. 16. Экспериментальная зависимость изменения смещений в РП от времени в процессе рулевым колесом



Рис. 18. Экспериментальные зависимости изменения смещений в РП от усилия в нем в процессе выхода автомобиля из поворота: Л - левого, П - правого со скорости 11,2 м/с со свободным рулём.

На рисунке 18 показана зависимость изменения критерия качества РП в течение 3 сек после начала выхода из поворота. При выходе из левого поворота более упругая правая часть РП определяет плавное изменение смещений в РП, а при выходе из правого поворота формирование смещений в РП определяет левая часть рулевого привода, где преобладают зазоры, отчего выше интенсивность изменения смещений. Однако значительных колебаний смещений в РП в этом режиме не наблюдалось, что позволяет считать влияние критерия качества РП на ЭС менее существенным.

Смещения в рулевом приводе в наибольшей степени влияют на изменение курсовой устойчивости автомобиля в режиме торможения. Так, осциллограммы усилий на поворотных рычагах и рулевой сошке, а также относительных смещений в рулевых шарнирах в процессе служебного торможения со скорости 11,2 м/с показывают, что в момент начала торможении на поворотных рычагах наблюдается резкий скачок усилия, который через 0,25с передаётся на рулевую сошку и вызывает смещение в шарнире 0,5-0,55 мм.

Из рисунка 19 следует, что резкое увеличение смещений начинается с усилия на поворотном рычаге цапфы 20 даН и стабилизируется при 35 даН, а их величина достигает 0,55 мм для левого и 0,43 мм для правого шарниров. Нагрузки и смещения в РП носят ударный характер.

Зависимости изменения смещений в РП от усилия в процессе экстренного и служебного торможения с начальной скорости 2,2,4 м/с приведены на рисунке 20. Отсюда следует, что при служебном торможении интенсивность нарастания усилия в РП имеет меньшую величину, чем при экстренном торможении, что сказывается на смещении в рулевом приводе.

В случае экстренного торможения зависимость смещений в РП от усилий имеет два экстремума, а величина смещения резко увеличивается с 1мм при 30 даН до 4,5 мм при 60 даН, после чего интенсивность нарастания смещения в РП стабилизируется. Для служебного торможения характерно более плавное нарастание смещений в РП, а его резкое приращение начинается при достижении усилия в РП 60 даН.

Процесс экстренного торможения с одновременным поворотом вызывает наибольшее из всех исследованных режимов нагружение РП. Смещения в кинематической цепи рулевого привода в этом режиме суммируются как от действия сил сжатия в рулевой трапеции, так и от соотношения углов поворота управляемых колёс. Причём в этом режиме нагрузки на поворотные рычаги достигают I20-I50 даН для испытуемого автомобиля, а смещения в рулевом приводе - 8-10 мм.



Рис.20 Зависимости изменения смещений в РП от усилия в нём в процессе (в течении 3 с} экстренного - Э и служебного - С торможения со скорости 22,4 м/с с фиксированным рулевым колесом

Характер изменения критерия качества РП в процессе экстренного торможения с одновременным поворотом следует из зависимостей, полученных экспериментальным и расчётным путём, приведённых на рисунке 21. При этом кривая зависимости смещения в рулевом приводе от усилия в нем как и в случае экстренного торможения имеет два экстремума, но резкое нарастание смещения прекращается только при достижении усилия в РП I05-IIO даН, его наибольшая интенсивность нарастания наблюдается в диапазоне 60-70 даН. Причём наблюдалось удовлетворительное согласие расчётных и экспериментальных зависимостей - расхождение не превышает 8-10%.

Дорожные испытания показали, что в процессе установившегося кругового движения в кинематической цепи рулевого привода наступает силовое замыкание элементов подвижных сопряжении, что определяет начальную величину смещений в РП и исключает её колебание.

Сравнительные испытания экипированного для дорожных исследований автомобиля на стенде показали, что диапазон усилий, создаваемых в рулевом приводе в процессе оценки его эксплуатационного состояния, соответствует значениям усилий в наиболее характерных в эксплуатации режимах движения автомобиля и полностью дает представление о характеристиках и состоянии рулевого привода конкретного испытуемого автомобиля. Эти же результаты использованы для разметки специальных плат блока логики стенда для оценки эксплуатационного состояния РП.

Таким образом, дорожные и сравнительные исследования показали удовлетворительное согласие расчётных и экспериментальных данных, расхождение которых в среднем не превышало 7-8%. Кроме того, была также подтверждена целесообразность применения одномассовой математической модели для определения стабилизирующих моментов на управляемых колёсах.

Результаты испытаний показали также, что в рулевом приводе производится значительная работа упругих деформаций по компенсации колебаний управляемых колёс и обеспечению курсовой устойчивости. Работа необратимых смещений при этом также существенно влияет на обеспечение траекторией устойчивости, но снижает управляемость и повышает утомляемость водителя.

Рис. 21. Зависимость изменения смещений в РП от усилия в ном в процессе (в течении-3 с) экстренного торможения с одновременным поворотом влево со скорости 22,4 м/с (расчётная и экспериментальная)

9. Диаграммы составляющих угла свободного хода рулевого колеса

Значимость влияния смещений в отдельных сопряжениях рулевого привода на формирование суммарного люфта рулевого колеса была экспериментально исследована на примере выборки (25 ед.) автомобилей «ГАЗ-24Т». Причём, 1 мм смещений в РП соответствует 2,5° угла поворота рулевого колеса. При выполнении экспериментальных исследований использовались методы блочного рандомизированного планирования, а их результаты были подвергнуты одномерному статистическому и дисперсионному анализу.

На рисунке 22 в виде диаграмм приведены результаты определения по величинам математических ожиданий отдельных смещений в сопряжениях, упругости РП и углов свободного хода рулевого колеса. Из (рис. 22а) следует, что при использовании отраслевой методики измерения свободный ход рулевого колеса состоит на 60% из люфта и упругих деформаций рулевого механизма, а значимость смещений в сопряжениях РП составляет 40%, в то время как рулевой привод имеет гораздо более сложную кинематическую цепь звеньев.

При этом вариация люфта рулевого колеса составила 0,653, процент соответствия нормативам - 28%, средняя величина люфта РК превысила норматив в 1,4 раза, а три автомобиля с нормативным люфтом РК имели аварийное состояние РП.

При увеличении усилия на рулевом колесе до 2 даН (рис. 22б) люфт рулевого колеса возрастает с 14,14° до 32,09°, но вариация при этом снизилась до 0,418, что позволяет утверждать о большей стабильности результатов такой методики измерения. При этом доли рулевого механизма и рулевого привода остались превшими - 62% и 38%.

После приложения усилия между дисками управляемых колёс 30 даН были созданы условия силового замыкания элементов подвижных сопряжений рулевого привода и по люфту рулевого колеса оценивалась упругая деформация РП. Так, из рисунка 22в следует, что средняя величина люфта рулевого колеса уменьшилась до 12,03°, что позволяет утверждать, что на долю зазоров в сопряжениях РП приходится только около 15% диагностической информации, которую несёт в себе люфт рулевого колеса. Однако вариация люфта РК осталась значительной - 0,628.

Увеличение усилия на рулевом колесе до 2 даН в этом случае (рис. 22 г) уменьшило вариацию люфта рулевого колеса до 0,341, а его средняя величина составила 29,42°, что свидетельствует об уменьшении информации, приходящейся на сопряжения РП, до 9%. Причём доля рулевого привода в суммарном люфте рулевого колеса уменьшилась до 35%.

Рис. 22. Диаграммы составляющих угла свободного хода рулевого колеса и смещений в РП выборки «ГАЗ-24»,, построенные по величинам математических ожиданий параметров

Средняя величина смещений в рулевом приводе исследованных автомобилей «ГAЗ-24» составила 1,33 мм. На долю необратимых смещений (зазоров в сопряжениях РП) приходится 60% (0,798 мм), а на долю обратимых смещений (упругости РП) - 40% (0,532 мм) величины критерия качества РП, полученной при усилии в РП 30 даН (рис. 22д).

При этом установлены величины усилий, при которых наблюдаются резкие изменения величины смещений - «пороги», предположенные ранее при исследовании рабочих процессов в РП, которые составили 15 и 30 даН. Оба «порога» характеризуются заметным увеличением вариации параметров, снижением стабильности результатов измерения на 15-17%.

На рисунке 22е приведена диаграмма, отражающая долю предельных значений смещений в рулевых шарнирах, построенная по рекомендациям работы [5]. Откуда следует, что суммарная величина зазоров в РП, приведенная к углу поворота рулевого колеса достигает 9,6°, т.е. при допустимой величине люфта рулевого колеса 10° на долю рулевого механизма и упругие деформации, а также зазоры в подшипниках ступиц передних колёс приходится всего 0,4°, что не реально.

Таким образом, с увеличением нагрузки на рулевом колесе и в рулевом приводе стабильность параметров измерения возрастает в 1,5-2 раза, но доля смещений в сопряжениях РП в этой информации пропорционально уменьшается, и они имеют такую же тенденцию к изменению от режимов нагружения, как и люфт рулевого колеса.

Причём люфт РК несёт в основном информацию об упругих деформациях в РП и только 10% этой информации приходится на зазоры в сопряжениях. Отсюда следует, что критерий качества РП является наиболее информативным и достоверным параметром оценки эксплуатационного состояния рулевого привода.

На современном этапе действующей нормативно-технической документацией количественно регламентирован только один параметр, допускающий возможность инструментальной проверки рулевого управления. Этим параметром является суммарный люфт рулевого управления. Остальные показатели технического состояния рулевого управления определяются качественно - наличием люфтов.

Под руководством автора инженерами Свиткиным Б.Б. и Янчевым Ю.И. был проведен анализ изменений технического состояния элементов рулевого управления. В частности были проанализированы:

1. Подшипник ступицы.

2. Подшипник верхней опоры телескопической стойки.

3. Шарниры наконечников рулевых тяг.

4. Шарниры рычагов подвески.

5. Суммарный люфт рулевого управления.

Общеизвестно, что отказ указанных элементов наиболее часто ведет к нарушению целостности цепи рулевого управления, а, следовательно, к высокой вероятности возникновения ДТП.

Для измерения указанных элементов рулевого управления использовались:

1. Индикатор часового типа ИГ-0,01, оборудованный специальным удлиненным наконечником для повышения точности.

2. Прибор К-526.

3. Комплекс специальных приспособлений для регистрации количественных значений параметров.

В качестве объекта исследований использовались элементы рулевого управления и передней подвески серийных легковых автомобилей семейств ВАЗ 2109 и ВАЗ 2110, по которым накоплен необходимый статистический материал. В этом случае наиболее важно знать показатели предельных значений параметров, режимы контроля или принудительных замен.

Данные эксперимента обрабатывались при помощи статистического пакета программы Microsoft Excel 2000.

Анализ изменения величин суммарного люфта показал, что он изменяется в пределах от 0,5 до 6-7 при среднеинтенсивном изменении параметра 0,2 за 10 тыс.км пробега (рис. 23).

При анализе износа подшипника верхней опоры телескопической стойки было установлено, что для автомобилей семейства ВАЗ 2109 он находится в пределах 0,02мм - 1мм при среднеинтенсивном изменении параметра 0,1мм за 10000 км пробега. Для автомобилей семейства ВАЗ 2110 износ подшипника лежит в пределах 0,02мм - 0,2мм при среднеинтенсивном изменении параметра 0,04мм за 10 тыс.км пробега.

Особенностью износа наконечников рулевых тяг является более интенсивный износ наконечников ВАЗ 2110. Он находится в пределах 0,01мм - 0,16мм. Интенсивность износа для ВАЗ 2110: 0,024мм за 10тыс.км пробега, для ВАЗ 2109: 0,014мм за 10тыс.км пробега.

Износ шаровых шарниров рычага подвески находится в пределах 0мм - 0,08мм для ВАЗ 2110 и 0мм - 0,2мм для ВАЗ 2109. Интенсивность изменения параметра: ВАЗ 2110- 0,018мм за 10 тыс. км; ВАЗ 2109- 0,03мм за 10тыс.км (24).

Износ подшипника ступицы автомобилей семейства ВАЗ 2110 находится в пределах 0мм - 0,05 мм. Интенсивность изменения параметра в зависимости от стиля вождения следующая:

- Активный стиль - 0,006 мм за 10 тыс.км пробега.

- Нормальный стиль - 0,004 мм за 10 тыс.км пробега.

- Пассивный стиль вождения - 0,002 мм за 10 тыс.км пробега.

Рис. 23. Зависимости изменения люфта РК от пробега (ВАЗ-2110, ВАЗ-2109(08))



Рис. 24. Зависимость изменения износа рулевых шарниров от пробега 2108(09) - левый, 2108(09) - правый, 2110(11) - левый, 2110(11)

В связи с выходом ГОСТ Р 51709-2001 возникла необходимость изменения методики проверки суммарного люфта РУ, так как по этому ГОСТу суммарный люфт РУ необходимо проверят с использованием приборов, фиксирующих угол поворота рулевого колеса от момента начала движения управляемых колес АТС в одну сторону, до момента начала их движения в другую сторону.

Использование устаревших приборов, фиксирующих одновременно угол и усилие поворота рулевого колеса до достижения на его ободе усилия установленной величины (0,75кгс, 1кгс, 1,25кгс), не допускается. В их числе приборы моделей К-524, К-526, К-187, К-402 и др. Измерения проводят от положения колес, близкого к нейтральному. Рулевое колесо поворачивают до положения, соответствующего началу поворота управляемых колес АТС в одну сторону, а затем - в другую сторону до положения, соответствующего началу поворота управляемых колес в противоположную сторону. При этом измеряют угол между указанными крайними положениями рулевого колеса, который является суммарным люфтом в РУ.

Проведенное исследование показало, что в настоящее время используются только устаревшие приборы, моделей К-524, К-526, К-187, К-402 и др. Соответственно автомобили проходят гостехосмотр с грубым нарушением ГОСТа, что не может не сказаться на безопасности дорожного движения.

Библиографический список

рулевой привод дорожный исследование

1. Аринин И.Н. Диагностирование технического состояния автомобилей. - М.: Транспорт. 2008. - 176 с.

2. Артемьев А.Н. Моделирование управляемого движения автомобиля с целью оптимизации параметров, влияющих на управляемость. - Дис. … канд. техн. наук / А.Н. Артемьев. - М., 2008. - 158 с.

3. Афанасьев Л.Л. Конструктивная безопасность автомобиля / Л.Л. Афанасьев, А.Б.Дъяков, В.А. Иларионов. - М.: Машиностроение, 2009. - 215

4. Боровский Б.Е. Безопасность движения автомобильного транспорта / Б.Е. Боровский. - Л.: Лениздат, 2007. - 304 с.

5. Войлошников В.В. Исследование влияния жёсткости рулевого управления на управляемость автомобиля при криволинейном движении. Дис. канд. техн. наук / В.В. Войлошников. - М., 2008. С. 185.

6. Гержодов В.И. Техническое состояние автомобилей и безопасность движения / В.И. Гержодов. - К.: Техника, 2008. - 149 с.

7. Гольд Б.В. Прочность и долговечность автомобиля / Б.В. Гольд. - М.: Машиностроение, 2007. - С. -328.

8. Джонс И.С. Влияние параметров автомобиля на дорожно-транспортные происшествия / И.С. Джонс - М.: Машиностроение, 2009. - С. 207.

9. Зубриський С.Г. Переоборудование АТС и их конструктивная безопасность / С.Г. Зубриський // Автомобильная промышленность. - 2008. - №1 - С. 21.

10. Катаев Н.Н. Оценка тормозных свойств автобусов семейства ПАЗ по результатам инструментального контроля: Автореф. дис. 052210 / Н.Н. Катаев // Владимирский государственный университет. - Вл, 2007. - С16.

11. Кислицын Н.М. Определение углов установки управляемых колёс при движении автомобиля / Н.М. Кислицын, Ю.В. Максимов // Автомобильная промышленность. - 2007. - №9. - С. 26-27.

12. Коллинз Д. Анализ дорожно-транспортных происшествий / Д. Коллинз, Д. Моррис. - М.: Транспорт, 2011. - С. 128.

13. Кравец В.Н. Законодательные и потребительские требования к автомобилям:Учебное пособие / В.Н. Кравец, Е.В. Горынин - Н.: Новгород, 2010. - 400 с.

14. Крузе В.В. Модель кинематики процесса нагружения шарнирных соединений рулевого привода легковых автомобилей с учётом колебаний. - В кн.: Вопросы теории зацепления и прикладной механики / В.В. Крузе, В.З. Русаков // Депонированный сборник науч. тр. (Новочеркасский политехнический ин-т). - ЦНИИНмаш, ВИНИТИ, 2011. - №7. - С.84.

15. Литвинов А.С. Исследование кинематики рулевого управления с учётом кинематики передней подвески / А.С. Литвинов, Ю.М. Немцов, С.А. Тимофеев // Автомобильная промышленность. - 2010. - №1. - С. 11-I3.

16. Малюков А.А. Научные основы стендовых испытаний автомобилей на активную безопасность. Дис. … док. тех. наук. - М., 2007. - 546 с.

17. Мирошников Л.В. Диагностирование технического состояния автомобилей на автотранспортных предприятиях / Л.В. Мирошников, А.П. Болдин, В.И. Пал. - М.: Транспорт, 2007. - С. 262.

18. Михлин В.М. Методические указания по прогнозированию технического состояния машин / В.М. Михлин, А.А. Сельцер. - М.: Колос. 2009. - С. 215.

19. Мороз С. Государственное регулирование ответственности за техническое состояние транспортных средств / С. Мороз // Автомобильный транспорт. - 2010. - №12. - С. 39.

20. Нарбут А.Н. Подвижной состав автомобильного транспорта (рабочие процессы и расчёт механизмов и систем автомобилей) / А.Н.Нарбут. - М.: МАДИ(ГТУ), 2008. - С. 116.

Размещено на Allbest.ru