Проектирование рулевого управления VOLVO FMX

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Рулевое управление - это совокупность устройств, обеспечивающих поворот управляемых колес автомобиля при воздействии водителя на рулевое колесо. Рулевое управление состоит из рулевого механизма и рулевого привода. Для облегчения поворота колес в рулевой механизм или привод может встраиваться усилитель. Рулевой механизм предназначен для передачи усилия от водителя к рулевому приводу и для увеличения крутящего момента, приложенного к рулевому колесу. Рулевым механизмом называют механизм, который позволяет осуществить поворот колес с необходимым передаточным числом. Он состоит из рулевого колеса, колеса и редуктора. Рулевой привод служит для передачи усилия от рулевого механизма к управляемым колесам автомобиля и для обеспечения необходимого соотношения между углами их поворота. Рулевой привод - система тяг и рычагов, которые в совокупности с рулевым механизмом осуществляют поворот автомобиля.

Водитель изменяет направление движения автомобиля, поворачивая колеса, которые принято называть управляемыми. Управляемыми могут быть передние или задние колеса, или те и другие вместе. Основным недостатком автомобиля с задними управляемыми колесами по сравнению с автомобилем, имеющим передние управляемые колеса, при прочих равных условиях поворота является то, что отъехать от борта тротуара или стены он может только задним ходом или при очень большом радиусе поворота; кроме того, передняя часть автомобиля при повороте медленнее отклоняется от первоначального направления, чем в случае передних управляемых колес. Если все колеса управляемые, то радиус поворота получается минимальным, что особенно важно при ограниченных углах поворота колес. Однако автомобилю со всеми управляемыми колесами свойственны недостатки автомобиля с задними управляемыми колесами, но в несколько меньшей степени, поскольку управляемыми являются также и передние колеса.

В современных автомобилях управляемыми делают обычно передние колеса, поворот которых можно осуществить двумя способами: поворотом всей оси вместе с сидящими на ней колесами или поворотом одних только колес при неподвижной передней оси.

В данной курсовой работе будет сделан обзор существующих конструкций систем рулевого управления, затем проведен кинематический расчет рулевого управления, силовой и прочностной расчеты и расчет усилителя автомобиля VOLVO-FMX(6x6).

рулевой автомобиль грузовой



1. Обзор схем и конструкций рулевых управлений грузовых автомобилей

Рулевые механизмы делятся на:

узлы типа «глобоидальный червяк - ролик» Соединенный с рулевым валом червяк переменного диаметра передает усилие на ролик; тот связан коротким валом с сошкой, воздействующей на систему тяг - рулевой привод. Достоинства такой конструкции - низкая склонность к передаче ударов от дорожных неровностей, большие углы поворота колес, возможность передачи больших усилий. К недостаткам - сложность конструкции. В настоящее время такие устройства практически не применяют.

реечный рулевой механизм. Конструкция очень проста - шестерня на конце вала баранки перемещает вправо-влево зубчатую рейку, которая через наконечники толкает в нужную сторону колеса. Сейчас применяют и разновидности такой схемы с переменным шагом зубцов (в средней части они нарезаны с меньшим, чем на концах, шагом). При увеличении угла поворота передаточное отношение меняется, облегчая управление. Малая масса, компактность, невысокая цена, минимальное количество тяг и шарниров - все это является достоинствами данного механизма. К недостаткам относится повышенная чувствительность к передаче дорожных неровностей.

рулевой механизм «винт - шариковая гайка - сектор». Встречается на тяжелых вседорожниках. Рулем водитель вращает вал с винтовой канавкой, а надетая на него гайка с «нарезкой» на внешней стороне поворачивает зубчатый сектор вала сошки. Для уменьшения трения усилие с вала на гайку передается через шарики, скользящие в винтовой канавке между ними. Такой механизм гораздо сложнее и дороже в производстве, чем реечный или червячный, но потери на трение - меньше. Именно его чаще используют на тяжелых грузовиках и автобусах.

схема «червяк - боковой сектор»;

схема «винт - кривошип».

Однако из-за низкой эффективности и сложности в производстве последние два типа рулевых механизмов не используются.

Унифицированное рулевое управление предназначено для установки на всех грузовых автомобилях, автобусах, троллейбусах, автопогрузчика и др. транспортных машинах, имеющих нагрузку на переднюю управляемую ось от 3,5 до 7,5т.

В настоящее время на транспортных средствах автомобильной промышленности применяются все четыре схемы компоновок рулевого управления:

Компоновка по схеме №1. Интегральный тип.

Силовой цилиндр с распределителем встроены в рулевой механизм.

При сравнительно небольших моментах сопротивления повороту управляемых колес, зависящих от нагрузки на управляемые колеса, использование этой схемы наиболее целесообразно. В данном случае рулевой механизм со встроенным усилителем получается легким, компактным, хорошо компонуется на автомобиле. Кроме того, обеспечивается наименьшая длина трубопровода и практически исключена возможность возникновения колебаний управляемых колес, вызванных динамической неустойчивостью усилителя. Такая схема компоновки широко распространена на зарубежных автомобилях.

К недостаткам этой компоновки следует отнести то, что практически все элементы системы рулевого управления нагружаются полным моментом сопротивления управляемых колес повороту, а это увеличивает упругую податливость системы, в результате чего возрастает возможность возникновения колебаний колес. Кроме того, ухудшается защита элементов системы рулевого управления от обратных ударов путем демпфирования их в силовом цилиндре.

В связи с этим при больших моментах сопротивления повороту, возникающих при значительных нагрузках на управляемые колеса, использование гидравлических усилителей, встроенных в рулевой-механизм, признано нецелесообразным вследствие необходимости существенно увеличивать массу деталей рулевого механизма, а также кронштейна его крепления и рамы в зоне крепления кронштейна.

Конструкция рулевого механизма, применяемого при данной схеме выглядит следующим образом:

Рисунок 2 Интегральный рулевой механизм

Рулевой механизм состоит из корпуса 1, в котором установлен поршень 2, расположенный между левой и правой полостями 3 и 4, сообщаемыми с насосом посредством распределителя рабочей жидкости. Внутри поршня 2 расположен винтовой вал 6, относящийся к распределителю, связанный с поршнем шариковинтовой передачей 7. Винтовой вал 6 имеет торцевые опоры, образованные роликовыми упорными подшипниками 8 и 9. Подшипник 8 расположен между опорной шайбой 10. надетой на концевой участок винтового вала 6, и пластиной 11, размещенной в нише в глухой торцевой стенке 12 корпуса 1. Подшипник 9 расположен между торцевой поверхностью винтового вала 6 и пластиной 13, опирающейся на торцевую поверхность передней опоры 14, имеющей резьбовое соединение с корпусом 15 распределителя рабочей жидкости. Корпус 15 распределителя соединен резьбовыми крепежными элементами, а именно винтами 16, с корпусом 1, охватывая его концевой участок.

Внутри винтового вала на цилиндрических подшипниках качения установлен ротор 19 распределителя, выполняющий функцию поворотного золотника и являющийся входным валом рулевого механизма. Ротор 19 связан с винтовым валом распределителя при помощи торсиона 20. расположенного в винтовом валу внутри выполненного в нем сквозного осевого отверстия 21. Торсион 20 соединен с винтовым валом при помощи штифта 22, расположенного в концевом участке вала 6 под опорной шайбой 10, а с ротором 19 торсион соединен штифтом 23, расположенным з промежутке между цилиндрическими подшипниками качения 17 и 18.

Для ограничения угла закрутки торсиона 20 во избежание его поломки на роторе 19 выполнен кулачок 24, расположенный в овалообразном углублении, выполненном в винтовом валу 6 у его торца 26, контактирующего с роликовым упорным подшипником 9. В этом углублении 25 кулачок может поворачиваться влево или вправо на угол а до упора в винтовой вал.

Внутри винтового вала на его участке, охватывающем ротор 19, выполнены продольные пазы, имеющие разную длину. Более короткий паз через радиальное отверстие в винтовом валу сообщен с ближней полостью 4 у поршня 2. Причем отверстие расположено у конца паза, который смещен в сторону штифта 23, соединяющего ротор 19 с торсионом 20. Более длинный паз сообщен с дальней полостью 3 у поршня через шариковинтовую передачу 7, косое отверстие 30 в винтовом валу и кольцеобразный канал 31, образованный вокруг концевого участка ротора 19 около штифта 23, соединяющего ротор с торсионом 20. На роторе 19 выполнены кольцевая канавка 32, расположенная напротив радиального отверстия 33 в винтовом валу, сообщающегося через канал 34 в корпусе 15 распределителя с источником давления рабочей жидкости, и пересекающиеся с кольцевой канавкой 32 продольные пазы 35, расположенные около упомянутых двух пазов в винтовом валу. Между пазами 35 на роторе 19 выполнены продольные пазы 36, сообщающиеся через радиальные отверстия 37с глухим осевым отверстием 38, пересекающимся с радиальным отверстием 39 для слива рабочей жидкости, расположенным у кулачка 24. Отверстие 39 расположено напротив полости, в которой размещен упорный подшипник 9. Эта полость сообщена со сливным каналом 40, расположенным в корпусе 15 распределителя.

На поршне 2 выполнены зубья 41, образующие зубчатую рейку. Зубья 41 имеют зацепление с зубьями 42 зубчатого сектора, расположенного на валу 43 рулевой сошки, находящейся с составе рулевого привода транспортного средства.

Компоновка по схеме №2.

Распределитель встроен в рулевой механизм, силовой цилиндр в виде отдельного агрегата, воздействует на продольную рулевую тягу.

Рисунок 3 Комбинированный рулевой механизм

Широко применяется в отечественном автомобилестроении, а также на автомобилях производства Российской Федерации.

Преимущества:

- возможность установки силового цилиндра в любом месте в цепи элементов рулевого привода, силовой цилиндр не нагружает все детали рулевого привода, возможность большей унификации, применение рулевого механизма с распределителем на автомобилях, автобусах, троллейбусах и автопогрузчиках с различными силовыми цилиндрами. Мощность усилителя можно легко изменить за счет длины штока силового цилиндра, который может быть соединен с любым звеном рулевого привода.

К недостаткам можно отнести:

- увеличенное количество трубопроводов, некоторая склонность к автоколебаниям.

Компоновка по схеме №3.

Распределитель и силовой цилиндр выполнены в одном агрегате и устанавливаются отдельно от рулевого механизма.

Данная схема компоновки применялась на автомобилях семейства МАЗ-525, БелАЗ-540, КрАЗ-256.

При ней есть возможность использовать рулевой механизм любой конструкции. Однако вероятность возбуждения колебаний управляемых колес при таком усилителе несколько выше по сравнению с вероятностью возбуждения при компоновке усилителя по первой и второй схемам.

При испытании рулевого механизма и усилителя, скомпонованного этой схеме, на автомобилях МАЗ с нагрузкой на управляемый мост 60 кН установлено, что данная схема при увеличении диаметра силового цилиндра не способна обеспечить легкость управления, так как при поворотах боковые составляющие сил, действующих от продольной тяги на сошку (радиальная составляющая сила, действующая на корпус распределителя), препятствуют перемещению золотника и тем самым значительно увеличивают усилие на рулевом колесе.

Кроме того, усилитель, скомпонованный по этой схеме, имеет еще один существенный недостаток. На автомобиле его приходится располагать так, чтобы палец сошки мог управлять распределителем. Однако для автомобилей повышенной проходимости, имеющих шины широкого профиля, такой вариант размещения неприемлем, так как место между лонжероном и колесом, где расположены рулевой механизм и усилитель ограничено.

Усилитель со встроенным распределителем, скомпонованный по схеме №3 выглядит следующим образом:

Рисунок 4 Усилитель рулевого управления автомобиля КрАЗ-6322

1-масляный бак; 2-обратная магистраль; 3-всасывающая магистраль; 4-рулевой вал; 5-рулевая колонка; 6-кронштейн; 7-магистраль охлаждения масла; 9-насос; 10,11-птрубки силового цилиндра; 12-силовой цилиндр; 13-продольная рулевая тяга; 14-сошка; 15-рулевой механизм



Компоновка по схеме №4.

Все узлы рулевого управления: рулевой механизм, распределитель и силовой цилиндр расположены в цепи рулевого привода раздельно.

Четвертая схема компоновки отличается от остальных большой длиной шлангов, склонностью к колебаниям управляемых колес, неудобством размещения агрегатов на автомобиле и применяется сравнительно редко. Однако была применена на грузовом автомобиле повышенной проходимости ГАЗ-66.

Рисунок 5 Усилитель рулевого управления автомобиля ГАЗ-66

Перспективной является конструкция рулевого управления, в которой отсутствует механическая связь рулевого колеса и ведущих колес, т.н. рулевое управление по проводам. Система обеспечивает независимое воздействие на каждое колесо с помощью электропривода. Серийное применение рулевого управления по проводам сдерживает скорее психологический фактор, связанный с высоким риском аварии в случае отказа системы.



2. Описание работы и регулировок проектируемого узла

Рисунок 2.1 Рулевой механизм

Конструктивные особенности

Рулевой механизм состоит из винта 2 и шариковой гайки-рейки 4, находящейся в зацеплении с зубчатым сектором 8.Полукруглые резьбовые канавки на винте и гайке-рейке образуют спиральный канал, который заполняется при сборке руля шариками высокой точности. Комплектность деталей, принятую при заводской сборке (винт, гайка-рейка, шарики), нарушать не разрешается. Зубчатый сектор 8 установлен в подшипниках скольжения 13, запрессованных в эксцентричные втулки 12 с рядом отверстий 11 на торцах. Ось наружной поверхности эксцентричных втулок 12 вмещена относительно оси отверстия подшипников скольжения 13 на величину эксцентриситета “h”,что дает возможность регулировать зубчатое зацепление поворотом эксцентричных втулок 12.

Регулировка натяга подшипников 1 осуществляется с помощью регулировочных прокладок 9.



Рисунок 2.2 Распределитель гидроусилителя руля

Распределитель гидроусилителя руля - золотникового типа, встроен в рулевой механизм. В корпусе (рис.2.2) золотника имеется три кольцевые расточки С,Е,D.Средняя кольцевая расточка Е соединена с каналом В для подвода рабочей жидкости от насоса ,а крайние С и D - с каналом А для отвода жидкости на слив. В трех реактивных камерах корпуса 6 золотника свободно, с возможностью осевого перемещения, размещены плунжеры 25. В центральном отверстии корпуса установлен золотник 26, закрепленный упорными подшипниками 4 и 11 на втулке 12, которая шлицами соединена без бокового зазора с винтом 28 рулевого механизма с возможностью осевого перемещения, а винтовым соединением - с входным валом 18. Шлицевое соединение входного вала 18 и винта 28 выполнено с зазором N. Зазор выбирают из условия обеспечения полного хода золотника. Кроме того, входной вал 18 соединен торсионом 20 с винтом 28 рулевого механизма. В канал средней кольцевой расточки Е ввернут обратный клапан 7.

Работа гидроусилителя

При прямолинейном движении автомобиля золотник 5 (рис.2.3) занимает нейтральное положение и рабочая жидкость то насоса 18 поступает к средней кольцевой расточке Е

(см.рис.2.2) корпуса золотника по маслопроводу 11 (см.рис.2.3) и через крайние расточки С и D (см.рис.2.2) - на слив по маслопроводу 13 (см.рис.2.3), заполняя при этом каналы К и F

(см.рис.2.2) в корпусе по маслопроводам 8 (см.рис.2.3) и 12- полости силового цилиндра 17.

Рисунок 2.3 Схема работы системы рулевого управления

При повороте рулевого колеса против часовой стрелки и, следовательно входного вала1. Благодаря винтовому соединению, втулка 3 с закрепленным на ней золотником 5, по шлицам 7 перемещается в осевом направлении вверх. В начальный момент смещения, когда давление в системе незначительно, усилие на рулевом колесе в основном создается торсионно 2, который непосредственно воздействует на входной вал 1. Винтовое соединение при этом перемещает золотник и практически не нагружается. При смещении золотника, величина которого ограничена зазором N в шлицевом соединении, прекращается доступ рабочей жидкости к кольцевой расточке С (см.рис.2.2). Рабочая жидкость от насоса подается к средней расточке Е, а затем через канал К в корпусе и маслопровод 12 (см.рис.2.2) поступает в подпоршневую полость силового цилиндра 17, в результате чего поршень 19 со штоком 16 перемещаются, поворачивая по часовой стрелке вал сектора с рулевой сошкой 14, и через рулевую продольную тягу 15 поворачивает управляемые колеса влево. Из штоковой полости силового цилиндра рабочая жидкость по маслопроводу 8 и каналу F(см.рис.2.2) в корпусе поступает в кольцевую расточку D и далее по маслопроводу 13 (см.рис.2.2) в масляный бачок 10.

Рисунок 2.4 Схема работы системы рулевого управления

При повороте рулевого колеса по часовой стрелке втулка 3 с золотником 5 перемещается вниз. Подвод рабочей жидкости к кольцевой расточке D (см.рис.2.1) прекращается. Рабочая жидкость от насоса поступает в среднюю расточку Е и далее по каналу F и маслопроводу 8 (см.рис.2.2) в штоковую полость цилиндра. Поршень со штоком перемещаются, поворачивая против часовой стрелки рулевую сошку 14, и через продольную тягу поворачивает управляемые колеса вправо. Из подпоршневой полости цилиндра рабочая жидкость по маслопроводу 12 и каналу К (см.рис.2.1) в корпусе поступает в кольцевую расточку С и далее по маслопроводу 13 (см.рис.2.2) в масляный бак.

Рисунок 3.5 Схема работы системы рулевого управления

При увеличении момента сопротивления повороту управляемых колес увеличивается давление рабочей жидкости в системе и, следовательно, в реактивных камерах, что вызывает пропорциональное увеличение усилия на рулевом колесе. Таким образом, у водителя создается “чувство дороги”.

При снятии усилия с рулевого колеса торсион 2 и плунжеры 6 возвращают золотник в нейтральное положение.

При неработающем насосе или недостаточной эффективности гидроусилителя выбирается зазор N в шлицевом соединении входного вала 1 с валом 7 и усилие от рулевого колеса передается как в рулевом управлении без усилителя. При этом обратный клапан 9 перепускает рабочую жидкость из полости силового цилиндра в другую.

Регулировка рулевого механизма

Регулировка рулевого механизма включает регулировку подшипников винта и регулировку зацепления зубчатого сектора и гайки-рейки. Регулировку механизма начинают с подшипников винта в следующей последовательности:

снимают рулевой механизм;

сливают рабочую жидкость из рулевого механизма, отвернув сливную пробку;

закрепляют рулевой механизм в тисках за проушины корпуса в горизонтальном положении;

поворотом входного вала устанавливают гайку-рейку и зубчатый сектор в одно из крайних положений (верхнее или нижнее);

определяют момент, необходимый для проворачивания входного вала из крайнего положения в среднее (примерно на угол 30).Если момент меньше, 2,5 Н*м, необходимо отрегулировать натяг в подшипниках, уменьшить количество регулировочных прокладок.

После регулировки момент, необходимый для проворачивания входного вала, должен находиться в пределах 2,7-4,1 Н*м. Для проверки наличия зазора в зубчатом зацеплении нужно вращением входного вала установить гайку-рейку и зубчатый сектор в среднее положение (полное число оборотов входного вала делится пополам), установить сошку на вал зубчатого сектора и покачиванием сошки в обе стороны определить наличие зазора (при наличии зазора слышен стук в зубчатом зацеплении и, кроме того, вал сектора поворачивается, а входной вал неподвижен). Величина зазора в зубчатом зацеплении может быть определена в приспособлении, позволяющем застопорить вал сектора и произвести замер зазора угломером на входном валу. При определении зазора поворачивают вал влево и вправо до начала закрутки торсиона. Зазор на входном валу не должен превышать 1 30.

Для регулировки зубчатого зацепления необходимо снять крышки и повернуть эксцентричные втулки по часовой стрелке на один и тот же угол, если смотреть со стороны вала сектора, настолько чтобы исключить зазор в зубчатом зацеплении. Установку крышек производить таким образом , чтобы штифты вошли в отверстия эксцентричных втулок, расположенных в одной диаметральной плоскости с резьбовыми отверстиями в корпусе под крепление крышек. При незначительном несовпадении отверстий втулки повернуть ее в ту или другую сторону до совпадения отверстий, обратив внимание на отсутствие зазора в зубчатом зацеплении. Штифты должны располагаться друг против друга по одной линии.



3. Кинематический расчет рулевого управления

Исходные данные

Таблица 1 Технические характеристики автомобиля VOLVO-FMX(6x6)

Колёсная формула	6х6
Полная масса автомобиля, кг	26000
Распределение полной массы на переднюю ось, кг	8000
Распределение полной массы на заднюю тележку, кг	18000
Масса снаряженного автомобиля, кг	9435
Шины	315/80R22.5
Максимальная скорость, км/ч	115
Высота габаритная, мм	3190
База, мм	4285
Минимальный радиус поворота, м	13,2
Статический радиус, м	0,499
Свободный радиус колеса, м	0,532

Для грузовых автомобилей рекомендуется, чтобы число оборотов рулевого колеса при повороте управляемых колес на 400 (200 от среднего положения) не превышало 3,5. Это соответствует углу поворота колеса 12600. Отсюда следует, что кинематическое передаточное число рулевого управления:

Предварительно принимаем upy = 29.

Исходя из компоновки автомобиля, принимаем следующие размеры:

радиус обката rf = 0,087 м;

расстояние между осями шкворней l0 = 1,7 м;

радиус вращения сошки Rc = 0,23 м;

радиус вращения поворотного рычага Rр = 0,24 м;

радиус рулевого колеса Rрк = 0,255 м;

Принимаем передаточное число рулевого механизма upм = 24,17 и рулевого привода

Кинематический расчет заключается в определении углов поворота управляемых колес, выбора параметров рулевой трапеции.

где Н, В - углы поворота наружного и внутреннего колес.

Рисунок 3.1 Схема поворота

Находим необходимые максимальные углы поворота колес при заданном Rmin

где L - база;

Rmin - минимальный радиус поворота.

,

Далее выбираем параметры рулевой трапеции. В существующих конструкциях расстояние a ? 0,7…0,8L. Тогда угол наклона бокового рычага Ф:

.

Длина бокового рычага m выбирается возможно большей по условиям компоновки. Примем m/n = 0,16 м. Длина поперечной тяги:

Тогда m=0.16*1,58=0.253 м.

Общее кинематическое передаточное число рулевого управления, определяемое передаточными числами механизма Uм и привода Uп.к. , равно отношению полного угла поворота рулевого колеса к углу поворота колес от упора до упора:

Для грузовых автомобилей в соответствии с ГОСТ 21398-75 суммарное число оборотов рулевого колеса при повороте управляемых колес 400 не должно превышать 3,5 () без учета угла свободного поворота рулевого колеса, следовательно



4. Силовой расчет рулевого управления

В общем случае усилие на рулевом колесе непостоянно и зависит от ряда причин:

1)нагрузки, приходящейся на передний мост;

2)типа дороги;

3)скорости движения;

4)радиуса поворота;

5)давления воздуха в шине.

На дороге с твердым покрытием с уменьшением давления в шинах усилие поворота увеличивается, а на дорогах с малой несущей способностью, наоборот, уменьшается.

Сила Fр необходимая для поворота управляемых колес стоящего на горизонтальной поверхности автомобиля, находится исходя из суммарного момента

,где

- момент сопростивления перекатыванию упрвляемых колес при их повороте вокруг шкворней;

- момент сопротивления деформации шин и трения в контакте с опорной воверхностью, вследствие проскальзывания шины;

и - моменты, обусловленные поперечным и продольным наклонами шкворней



G1- осевая нагрузка, передаваемая управляемыми колесами;

f- коэффициент сопротивления перекатыванию колеса [3 стр. 33]

- коэффициент сцепления колес с опорной поверхностью [3 стр. 33]

- радиус обкатки колеса вокруг оси шкворня м

- расчетный радиус колеса

- плечо силы трения скольжения относительно центра отпечатка шины. Если принять, что давление по площади отпечатка распределяется равномерно,

- свободный радиус колеса.

-угол развала колес

- углы наклона шкворня в боковом направлении и назад

- средний угол поворота колеса

Усилие на рулевом колесе

где Rрк - радиус рулевого колеса

ру - КПД рулевого управления (приближенно ру = 0,85)

Это больше допустимого значения 250 Н, следовательно, необходима установка усилителя.

Определяем размеры силового цилиндра. Момент на управляемых колесах от воздействия водителя с усилением FВ = 120 Н

MВ = FВRрк uру ру = 1200,25530,790,85 = 800,85 Нм.

Требуемое для поворота колес усилие со стороны силового цилиндра:

РП - КПД рулевого привода (РП = 0,9),

ц - КПД передачи рейка-сектор (ц = 0,9).

Ход поршня силового цилиндра из одного крайнего положения в другое:

Для недопускания гидрозамыкания силового цилиндра в крайних точках, увеличиваем ход поршня силового цилиндра.

Принимаем Хц=0,2 м.

Диаметр силового цилиндра:

где рmax - максимальное давление в гидросистеме (10МПа),

dш - диаметр штока.

Принимаем

Шаг винта:

Принимаем t=13 мм.



5. Гидравлический расчет усилителя

Определяем производительность насоса. Подача насоса QН должна обеспечивать поворот управляемых колес с большей скоростью, чем это сможет сделать водитель. Расчетную подачу определяют при давлении жидкости равном 0,5рmax и частоте вращения на холостом ходу не более чем на 25%. При меньшей подаче насоса жидкость не будет успевать заполнять освобождающийся объем рабочей полости цилиндра, что приведет к резкому увеличению усилия на рулевом колесе.

Кроме того, водителю придется затрачивать энергию для перекачивания жидкости из одной полости цилиндра в другую.

,

где n - расчетная частота вращения рулевого колеса (1,5 об/сек),

Н - объемный КПД насоса при давлении 0,5рmax (для лопастных насосов Н = 0,8).

ДQ - утечка жидкости в гидросистеме.

При Р=0,5Рмах - ДQ=0,05Qн

После преобразований получим конечную формулу для нахождения подачи насоса:

Объем силового цилиндра:

Диаметр золотника находим по потерям давления р в распределителе, которые должны составлять (0,04 …0,08 МПа):

,

где QН = 371см3/сек = 3,71104м3/сек;

д3 - зазор между кромками золотника и его обоймы (0,2…0,5 мм);

коэффициент местного сопротивления ( = 3…6);

= 900 кг/м3 - плотность рабочей жидкости.

Принимаем d3 =50 мм.



6. Прочностной расчет деталей рулевого управления

6.1 Прочностной расчет рулевого вала

Для проведения расчетов на прочность и долговечность необходимо определить силы в зацеплении поршня-рейки с винтом в рулевом механизме.

Рисунок 6.1 Силы в рулевом механизме

Определим радиальную силу в зацеплении, предварительно определив касательную силу (рисунок 6.1):

.

Осевое усилие на винте Q (рисунок 12):

,

где ц - угол подъема винтовой линии:

6.2 Прочностной расчет рулевого механизма

Определим внутренний диаметр резьбы винта:

,

где rп -радиус дуги окружности профиля резьбы винта:

,

где dш - диаметр шарика:

.

.



x - радиальное смещение центров радиусов профилей резьбы винта и гайки относительно центра шарика:

,

где б - угол контакта шариков, для выполненных конструкций .

Прочностной расчет рулевого механизма заключается в определении максимального контактного напряжения для винтовой поверхности винта и гайки, допускаемой осевой статической нагрузки , а также в расчете зубьев сектора на изгиб и контактную прочность.

В первую очередь определим число шариков в активной части циркулирующей цепи:

,

где K-число витков в одной замкнутой рабочей цепочке (K=2,5).

Принимаем

Определяем осевую удельную нагрузку:

где - коэффициент неравномерности нагрузки шариков;

u=1 - число замкнутых рабочих цепочек.

По вычисленному значению q, при заданном радиальном зазоре (), по графику зависимости q от при различных значениях относительного радиального зазора можно определить (график приведен в [2], стр.41, рис.2,14.). Из графика следует, что . С учетом того, что предельное допускаемое напряжение , то условие прочности выполняется.

Допускаемая осевая статическая нагрузка:

,

где - допускаемая удельная статическая нагрузка (определяется по графику приведенному в [2], стр.41, рис. 2.16.):

.

Условие прочности выполнено.

Зубья сектора рассчитывают на изгиб и на контактную прочность.

Напряжения при изгибе:

где y - коэффициент формы зубьев, определяемый по таблицам для полного зубчатого колеса, частью которого является сектор (y=4,3);

b - длина зубьев (b=45 мм);

t - шаг зубьев сектора (t=18,85 мм);

k - коэффициент перекрытия (k=1,68).

где =250 МПа.

Контактные напряжения:

где б=20є - угол зацепления.

где .

6.3 Прочностной расчет рулевого вала

Принимаем материал рулевого вала сталь 20.

Рулевой вал рассчитывается по напряжению кручения в опасном сечении.

,

где - напряжение сопротивления кручению вала [4];

- момент сопротивления вала кручению:

,

где - диаметр вала в опасном сечении.



6.4 Прочностной расчет рулевой сошки

Принимаем материал сошки 40ХН.

Рисунок 6.2 Схема к расчету сошки и поворотного рычага

Усилие на шаровом пальце сошки равно:

где Rc=230мм - длина рулевой сошки.

Усилие изгибает сошку на плече q=150 мм (от шарового пальца до опасного сечения Й-Й) и одновременно скручивает сошку на плече p=50 мм. Эквивалентное напряжение растяжения в точке «а» определяем по формуле [4]:

где - моменты сопротивления изгибу и кручению соответственно;

- допускаемое эквивалентное напряжение [4].

Момент сопротивления изгибу:

где , (рисунок 5.3).

Момент сопротивления кручению:

Тогда эквивалентное напряжение растяжения в точке «а»:

Напряжение кручения в точке «b» определяем по формуле:

где - допускаемое напряжение при кручении [4].

Тогда напряжение кручения в точке «b»:

6.5 Прочностной расчет продольной рулевой тяги

Принимаем материал продольной рулевой тяги сталь 20.

Продольная тяга рассчитывается на сжатие и продольный изгиб от силы, подводимой от шарового пальца сошки . Растяжение тяг является малоопасным.

Рисунок 6.3 Схема к расчету продольной тяги

Определим напряжения сжатия продольной рулевой тяги по формуле:

где =53 мм, =40 мм - наружный и внутренний диаметры продольной рулевой тяги соответственно;

- допускаемые напряжения сжатия [4].

Определим напряжения, возникающие в продольной рулевой тяге при изгибе по формуле:

где =850 мм - длина продольной рулевой тяги;

- экваториальный момент инерции сечения продольной рулевой тяги.

Экваториальный момент инерции сечения продольной рулевой тяги определяется по формуле [4]:

Напряжения изгиба в продольной рулевой тяге:

Запас прочности:

6.6 Расчет поперечной рулевой тяги

Материал поперечной рулевой тяги сталь 20.

Рисунок 6.4 Схема для определения усилия нагружения поперечной тяги

Расчет поперечной рулевой тяги и боковых рычагов рулевой трапеции производим из условия приложения к управляемым колесам максимального тормозного момента (рисунок 6.4).

Максимальная тормозная сила на управляемых колесах определяется по формуле:

где - удельная нагрузка на задний мост;

- удельная высота центра масс автомобиля;

- максимальное относительное замедление автомобиля;

- коэффициент сцепления колеса с дорогой на асфальтобетонном покрытии.

Тогда максимальная тормозная сила:

Сила, действующая на поперечную тягу:

где ,

Определим напряжения сжатия поперечной рулевой тяги по формуле:

где =50 мм, =40 мм - наружный и внутренний диаметры поперечной рулевой тяги соответственно;

- допускаемые напряжения сжатия [4].

Определим напряжения, возникающие в поперечной рулевой тяге при изгибе по формуле:

где =1632 мм - длина поперечной рулевой тяги;

- экваториальный момент инерции сечения поперечной рулевой тяги.

Экваториальный момент инерции сечения поперечной рулевой тяги определяется по формуле:

Напряжения изгиба в поперечной рулевой тяге:

Запас прочности:

6.7 Прочностной расчет рычага поворотного кулака

Принимаем материал бокового рычага сталь 40ХН.

Поворотный рычаг рассчитывается по аналогии с рулевой сошкой.

Усилие на шаровом пальце поворотного рычага: Fc=11337,47 H

Усилие изгибает поворотный рычаг на плече q=130 мм (от шарового пальца до опасного сечения Й-Й) и одновременно скручивает боковой рычаг на плече p=50 мм. Максимальное напряжение изгиба будет в точке «а» (рисунок 6.2), а максимальное напряжение кручения - в точке «b». Эквивалентное напряжение растяжения в точке «а» определяем по формуле:

где - моменты сопротивления изгибу и кручению соответственно;

- допускаемое эквивалентное напряжение.

Момент сопротивления изгибу:

где , (рисунок 5,3).

Момент сопротивления кручению:

Тогда эквивалентное напряжение растяжения в точке «а»:

Напряжение кручения в точке «b» определяем по формуле:

где - допускаемое напряжение при кручении [4].

Тогда напряжение кручения в точке «b»:

6.8 Прочностной расчет рычага рулевой трапеции

Принимаем материал рычага рулевой трапеции сталь 40ХН.

Рычаг рулевой трапеции рассчитывается по аналогии с рулевой сошкой.

Усилие на шаровом пальце рычага рулевой трапеции: U = 55264,36 Н.

Усилие U изгибает рычаг на плече q=210 мм (от шарового пальца до опасного сечения Й-Й) и одновременно скручивает рычаг рулевой трапеции на плече p=50мм. Максимальное напряжение изгиба будет в точке «а» (рисунок 6.2), а максимальное напряжение кручения - в точке «b». Эквивалентное напряжение растяжения в точке «а» определяем по формуле:

где - моменты сопротивления изгибу и кручению соответственно;

- допускаемое эквивалентное напряжение.

Момент сопротивления изгибу:

где =38 мм и =28 мм (рисунок 5.3).

Момент сопротивления кручению:

Тогда эквивалентное напряжение растяжения в точке «а» [4]:

Напряжение кручения в точке «b» определяем по формуле:

где - допускаемое напряжение при кручении.

Тогда напряжение кручения в точке «b»:



Заключение

При разработке рулевого управления для грузового VOLVO-FMX(6x6) был спроектирован рулевой механизм с сектором и винт-шариковой-гайкой-рейкой с гидравлическим усилителем разнесенного типа. Определены углы поворота управляемых колес Иimax=21,84є, Иemax=19,08є. Передаточное число рулевого механизма Uрм=24.1 и рулевого привода Uрп=1,12. Диаметр силового цилиндра гидравлического усилителя Dц=65 мм. Диаметр золотника dз=50 мм.

Список использованных источников

1. Автомобили: Конструкция, конструирование и расчет. Системы управления и ходовая часть: Учеб. пособие для вузов/ А.И. Гришкевич, Д.М. Ломако, В.П. Автушко и др.; Под ред. А.И. Гришкевича. -Мн.: Выш. шк., 1987. -200 с.: ил.

2. Курсовое проектирование деталей машин: Справ. Пособие. Часть 2/ [А.В. Кузьмин, Н.Н. Макейчик, В.Ф. Калачаев и др.]. -Мн.: Выш. школа, 1982. -334 с.: ил.

3. Раймпель Й. Шасси автомобиля: Рулевое управление/ Пер. с нем. В.Н. Пальянова; Под ред. А.А. Гальбрейха. -М.: Машиностроение, 1987. -232 с.: ил.

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3т. Т. 1. - 8-е изд., перер. и доп. Под ред. И.Н.Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001. - 920с.: ил.

5. www.zarulem.ru

Размещено на Allbest.ru