Определение оптимальных величин критерия качества рулевого управления автотранспортных средств

С целью поддержания заданного при проектировании уровня эксплуатационных свойств автомобиля необходимо при техническом обслуживании автомобиля во время контрольно-регулировочных и профилактических операций измерять величину критерия качества РП и оптимизировать её в соответствии с техническим состоянием конкретного автомобиля. Такая методика оптимизации по критерию качества рулевого привода учитывает как улучшение эксплуатационных свойств и повышение активной безопасности автомобиля, так и снижение затрат на эксплуатацию шин, топлива.

Оптимальные величины критерия качества рулевого привода определим для трёх основных режимов движения автомобиля, усилии в РП 30 даН.

1.1 Режим движения по прямолинейной траектории:

В этом режиме движения углы поворота управляемых колёс не превышают 3–5°, а углы поворота управляемых колёс на величину смещений в кинематической цепи рулевого привода в отдельных режимах нагружения РП (что учитывает критерий качества РП) могут достигать 2–3°, т.е. быть вполне соизмеримыми с величинами средних углов поворота

Таким образом, в этом режиме движения характеристики и состояние РП в наибольшей степени влияют на изменение эксплуатационных свойств автомобилей, в то время как этот режим движения является основным при выполнении автомобилем транспортной работы вне города.

Для анализа изменения эксплуатационных свойств в зависимости от критерия качества РП разделим их условно на две группы: 1 – управляемость и курсовая устойчивость, связанные с поворачиваемостью автомобиля; II – расход топлива и интенсивность износа шин, связанные с сопротивлением качению.

Так, на рисунке 1 приведены зависимости изменения эксплуатационных свойств 1 и II группы, полученные по усредненным значениям результатов моделирования процесса изменения ЭС в рассматриваемом режиме движения, от критерия качества РП. Откуда следует, что критерий качества РП оказывает более значимое влияние на ЭС II группы и курсовую устойчивость автомобилей.

Чувствительность к управлению в этом режиме движения, учитывая, что и передаточное число рулевого механизма максимально, по мере возрастания смещений в кинематической цепи РП, уменьшается на 17–20% от первоначальной величины при достижении критерием качества РП 6 мм/даН. Причём, нелинейный характер этого влияния наблюдается при величинах критерия качества РП до 1,5–2 мм/даН.

Влияние критерия качества РП на курсовую устойчивость более значимо. Так, курсовой угол в начальном режиме торможения при величине критерия качества РП 6 мм/даН, максимальной использованной при моделировании, может достичь величины, в 3–5 раз больше первоначальной в зависимости от скорости движения. Характер изменения этой зависимости линейный (рис. 1), т. к. нелинейный эффект влияния усилия в РП на курсовой угол учитывается в самом критерии качества РП.

В этом режиме движения поворачиваемость автомобиля остаётся примерно равной первоначальной величине, т. к. управляемые колёса поворачиваются на равные углы, но в разные стороны. При этом средний угол увода шин передней оси изменяется практически незначимо.

Зависимость влияния критерия качества РП на коэффициент сопротивления качению имеет нелинейный тренд (рис. 1). Так, при достижении критерием качества РП максимальной величины 6 мм/даН коэффициент сопротивления качению может возрасти на 35–40% от первоначального, а относительно резкое увеличение коэффициента сопротивления качению имеет место с величин критерия качества равных 3–4 мм/даН.

Расход топлива в зависимости от критерия качества РП изменяется также не линейно и при максимальных, использованных при моделировании величинах критерия качества РП, может увеличиться на 15–18% от его значения при отсутствии смещений в РП и постоянстве остальных влияющих факторов в оптимальном интервале скоростей 80–90 км/час. Относительно резкое увеличение расхода топлива также наблюдается при величинах критерия качества РП 3–4 мм/даН.

Такое изменение расхода, топлива может увеличить эксплуатационные затраты на него на 1,5–3%. Интенсивности износа шин уделено значительное число работ, поэтому в данной работе ставилась цель рассмотреть влияние на неё только критерия качества РП, что определяет новую постановку вопроса, т. к. последний, являясь интегральным показателем, одновременно учитывает и смещения в кинематической цепи РП и его силовое нагружение, а также отражает влияние характеристик и состояния рулевого привода автомобилей. С учётом принятых ранее допущений с допустимой погрешностью эту зависимость считаем линейной. Тогда, как следует из рисунка 1, увеличение интенсивности износа может достичь 75–80% при максимальной, использованной для моделирования, величине критерия качества.

Таким образом, в режиме движения автомобиля по траектории, близкой к прямолинейной, критерий качества РП оказывает значительное влияние на изменение всех рассмотренных эксплуатационных свойств за исключением поворачиваемости. При этом можно рекомендовать величину критерия качества РП, оптимизированную «справа» целесообразным с точки зрения безопасности движения и экономической эффективности эксплуатации автомобиля величинами курсовой устойчивости и чувствительности к управлению, а также эксплуатационными свойствами II группы и «слева» – затратами на поддержание заданного уровня эксплуатационного состояния рулевого привода:

.                               (1)

1.2 Режим движения вход в поворот, фиксированное рулевое колесо:

Как отмечалось ранее, в режиме движения по криволинейной траектории влияние смещений в кинематической цепи РП на изменение ЭС не значимо при установившемся режиме. Однако в неустановившемся режиме движения, в момент входа и выхода из поворота влияние критерия качества РП в совокупности с рассмотренными конструктивными и эксплуатационными факторами граф-модели РП на изменение ЭС существенно.

В момент входа в поворот углы поворота управляемых колёс изменяются как на величину смещений в кинематической цепи РП непосредственно, так и за счёт изменения углов увода шин.

Так, для условий входа в поворот при боковом ускорении 4 м/с по результатам моделирования получены зависимости изменения ЭС I и групп от критерия качества РП (рис. 2). Откуда следует, что недостаточная поворачиваемость с увеличением критерия качества РП вначале увеличивается на 15–20% при его величине 4 мм/даН, затем несколько снижается, т. к. при меньших углах увода влияние критерия качества РП более значимо на разность углов увода осей.

Значительное увеличение курсового угла наблюдается уже с величин критерия качества РП 2 мм/даН. При увеличении скорости входа в поворот оно может привести к явлению «рыскания» в момент входа в поворот. Чувствительность к управлению снижается на 7–8% при достижении критерия качества РП 3–4 мм/даН, затем несколько увеличивается, что объясняется характером изменения радиуса поворота.

Резкое снижение коэффициента сопротивления качению при достижении критерия качества РП 2 мм/даН объясняется преобладающим влиянием критерия качества РП на средний угол поворота колёс, обеспечивая его плавное изменение. Однако абсолютное значение коэффициента сопротивления качению изменяется незначительно – на 2–3%.

Влияние критерия качества РП на расход топлива имеет аналогичный характер, но значительно меньшие по сравнению с режимом прямолинейного движения абсолютные величины, т. к. влияние других факторов более значимо.

Износ шин передних колёс также несколько снижается в момент да в поворот с увеличением критерия качества РП, сохраняя при этом линейный характер изменения. Абсолютное значение относительного износа шин остаётся невысоким из-за большего влияния других факторов.

Таким образом, в момент входа в поворот величина критерия качества РП ограничивается «справа» снижением статической чувствительности к управлению и курсовой устойчивости, «слева» – экономическим критерием:

                          (2)

1.3 Режим движения выход из поворота, свободный руль:

В этом режиме движения значительны силовые нагрузки в РП, поэтому преобладает влияние критерия качества РП на угол увода передней оси, уменьшая его величину с учётом коэффициента смещений в РП.

Чувствительность к управлению с увеличением критерия качества РП до 3–4 мм/даН вначале повышается до 10–12%, что объясняется стабильным односторонним силовым замыканием, которое при дальнейшем увеличении критерия качества РП нарушается и чувствительность к управлению резко снижается, что следует из рисунка 3.

При этом же значении критерия качества РП курсовая устойчивость повышается до 25–30%, но её относительное изменение минимально. Недостаточная поворачиваемость уменьшается на 12–15% при тех же значениях критерия качества РП, что объясняется менее интенсивным нарастанием действия стабилизирующего момента из-за смещений в кинематической цепи РП.

Изменение коэффициента сопротивления качению в этом режиме движения не превышает 2% и является не значимым. При этом с увеличением критерия качества РП смещения в рулевом приводе способствуют изменению положения УК в сторону уменьшения сопротивления качению. Отмечено, что расход топлива в этом режиме движения уменьшается на 3–5% с увеличением критерия качества РП от 3 до 6 мм/даН.

Относительный износ шин с увеличением критерия качества РП уменьшается до 40–45% от начальной величины, а наибольшая интенсивность отмечена при величине критерия качества РП, равной 2–2,5 мм/даН. Причём, влияние критерия качества РП на изменение ЭС в этом режиме движения носит ярко выраженный нелинейный характер (рис. 3).

Таким образом, учитывая кратковременность режима движения выход из поворота, следует отметить, что в наибольшей степени критерий качества РП влияет на чувствительность к управлению и интенсивность носа шин, а требования, предъявляемые к его величине наименее жёсткие:

                          (3)