Рулевое управление

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  "Steering"  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( январь 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Часть рулевого механизма автомобиля: рулевая тяга, рулевой рычаг, ось шкворня (с помощью шаровых шарниров )

Рулевое управление - это система компонентов, рычагов и т. Д., Которая позволяет любому транспортному средству ( автомобилю , мотоциклу , велосипеду ) следовать заданным курсом. Исключением является случай железнодорожного транспорта, на котором железнодорожные пути, объединенные со стрелочными переводами (также известные как «точки» в британском английском языке), обеспечивают функцию рулевого управления. Основная цель рулевого управления - позволить водителю управлять автомобилем.

Геометрия рулевого управления Ackermann

Введение [ править ]

Наиболее обычное устройство рулевого управления - это поворот передних колес с помощью рулевого колеса с ручным управлением, которое устанавливается перед водителем через рулевую колонку , которая может содержать универсальные шарниры (которые также могут быть частью конструкции складной рулевой колонки). , чтобы позволить ему несколько отклониться от прямой линии. Другие устройства иногда встречаются на различных типах транспортных средств, например, румпель или рулевое управление задними колесами. Гусеничные машины, такие как бульдозеры и танки, обычно используют дифференциальное рулевое управление.- то есть гусеницы заставляют двигаться с разной скоростью или даже в противоположных направлениях, используя сцепления и тормоза , чтобы вызвать изменение курса или направления.

Управление наземным транспортным средством [ править ]

Базовая геометрия [ править ]

• Рулевое управление Ackermann

• Колокол-кривошипное рулевое управление

• Реечное рулевое управление

• Короткое реечное рулевое управление

Основная цель рулевого управления - обеспечить направление колес в желаемом направлении. Обычно это достигается с помощью набора рычагов, стержней, шарниров и шестерен. Одна из фундаментальных концепций - это угол кастера: каждое колесо управляется с точкой поворота перед колесом; это заставляет рулевое управление самоцентрироваться по направлению движения.

Рулевые тяги, соединяющие рулевой механизм и колеса, обычно соответствуют вариации геометрии рулевого управления Аккермана , чтобы учесть тот факт, что в повороте внутреннее колесо фактически движется по пути меньшего радиуса, чем внешнее колесо, так что степень из пальца , пригодного для езды по прямому пути не подходят для поворотов. Угол поворота колес относительно вертикальной плоскости также влияет на динамику рулевого управления (см. Угол развала колес ), как и шины .

Рейка и шестерня, рециркуляционный шар, червяк и сектор [ править ]

Многие современные автомобили используют реечные механизмы рулевого управления, где рулевое колесо вращает ведущую шестерню; шестерня перемещает рейку, которая представляет собой линейную шестерню, которая входит в зацепление с шестерней, преобразуя круговое движение в линейное движение вдоль поперечной оси автомобиля (движение из стороны в сторону). Это движение применяется рулевой крутящий момент на поворотном штифте шаровых шарниры , которые заменили ранее использовавшиеся главарь на цапфе управляемых колес через тяги и короткий рычаг рычаг под названием рулевого рычаг.

Реечная конструкция имеет преимущества большой степени обратной связи и непосредственного «ощущения» рулевого управления. Недостатком является то, что он не регулируется, поэтому, когда он изнашивается и образует ресницы , единственным лекарством является замена.

BMW начала использовать реечные системы рулевого управления в 1930-х годах, и многие другие европейские производители переняли эту технологию. Американские автопроизводители начали применять реечное рулевое управление, начиная с Ford Pinto 1974 года . ^[1]

В более старых конструкциях используются два основных принципа: конструкция червяка и сектора и винт и гайка. Оба типа были улучшены за счет уменьшения трения; винт и гайка - это шаровой механизм с рециркуляцией , который до сих пор используется на грузовиках и грузовых автомобилях. Рулевая колонка вращает большой винт, который сцепляется с гайкой за счет рециркуляции шариков. Гайка перемещает сектор шестерни, заставляя ее вращаться вокруг своей оси при повороте винта; рычаг, прикрепленный к оси сектора, перемещает рычаг Pitman , который соединен с рулевой тягойи таким образом поворачивает колеса. Версия этого устройства с рециркуляцией шариков снижает значительное трение за счет размещения больших шариковых подшипников между винтом и гайкой; на обоих концах устройства шары выходят между двумя частями во внутренний канал коробки, который соединяет их с другим концом устройства, таким образом, они «рециркулируют».

Механизм с рециркуляцией шаров имеет преимущество в виде гораздо большего механического преимущества , так что он был найден на более крупных и тяжелых транспортных средствах, в то время как рейка и шестерня изначально использовались только для меньших и более легких; из-за почти повсеместного применения гидроусилителя руляОднако это больше не является важным преимуществом, что приводит к все более широкому использованию реечной передачи на новых автомобилях. Конструкция с рециркуляционным шаром также имеет заметный люфт или «мертвую точку» в центре, где небольшой поворот рулевого колеса в любом направлении не перемещает рулевое устройство; это легко регулируется с помощью винта на конце рулевого механизма для учета износа, но полностью исключить его невозможно, поскольку в других положениях возникают чрезмерные внутренние силы, и механизм изнашивается очень быстро. Эта конструкция до сих пор используется в грузовиках и других крупных транспортных средствах, где скорость рулевого управления и непосредственное ощущение менее важны, чем надежность, ремонтопригодность и механические преимущества.

Червяк и сектор были более старой конструкции, использовавшейся, например, в автомобилях Willys и Chrysler, а также Ford Falcon (1960-е годы). Для уменьшения трения сектор заменяется роликом или вращающимися штифтами на рычаге коромысла.

Как правило, в старых автомобилях используется шаровой механизм с рециркуляцией, и только в новых автомобилях используется реечное рулевое управление. Однако это разделение не очень строгое, и реечные системы рулевого управления можно найти на британских спортивных автомобилях середины 1950-х годов, а некоторые немецкие автопроизводители не отказывались от технологии рециркуляции шариков до начала 1990-х годов.

Существуют и другие системы рулевого управления, но они редко встречаются на дорожных транспортных средствах. В детских игрушках и картингах часто используется прямое соединение в виде рычага (также известного как рычаг Питмана ), прикрепляемого непосредственно между рулевой колонкой и рулевыми рычагами, а также использование рулевых тяг с тросиком (например, механизм шпиля и тетивы ) также встречается на некоторых самодельных транспортных средствах, таких как мыльницы и лежачие трехколесные велосипеды .

Усилитель руля [ править ]

Рулевое управление с усилителем помогает водителю транспортного средства управлять, направляя часть его мощности для помощи в повороте управляемых опорных колес вокруг их рулевых осей. По мере того, как автомобили становились тяжелее и переходили на передний привод , особенно с использованием геометрии с отрицательным смещением, наряду с увеличением ширины и диаметра шин, усилие, необходимое для поворота колес вокруг их оси поворота, увеличивалось, часто до такой степени, что возникали серьезные физические нагрузки. потребовалась бы, если бы не помощь власти. Чтобы избежать этого, автопроизводители разработали гидроусилитель руля.системы, или, вернее, рулевое управление с усилителем, поскольку на дорожных транспортных средствах должно быть механическое сцепление в качестве отказоустойчивого. Существует два типа систем рулевого управления с усилителем: гидравлический и электрический / электронный. Возможна также гидравлическая электрическая гибридная система.

Гидравлический усилитель руля (HPS) использует гидравлическое давление , подаваемое с помощью насоса с приводом от двигателя , чтобы помочь движение поворота рулевого колеса. Электроусилитель руля(EPS) более эффективен, чем рулевое управление с гидроусилителем, поскольку электродвигатель рулевого управления с электроусилителем должен оказывать помощь только при повороте рулевого колеса, тогда как гидравлический насос должен работать постоянно. В EPS размер помощи легко настраивается в зависимости от типа автомобиля, скорости движения и даже предпочтений водителя. Дополнительным преимуществом является устранение опасности для окружающей среды, вызванной утечкой и утилизацией жидкости гидроусилителя рулевого управления. Кроме того, электрическая помощь не теряется, когда двигатель выходит из строя или глохнет, в то время как гидравлическая помощь перестает работать, если двигатель останавливается, что делает рулевое управление вдвойне тяжелым, поскольку теперь водитель должен крутить не только очень тяжелое рулевое управление - без какой-либо помощи - но и Сама система гидроусилителя.

Чувствительное к скорости рулевое управление [ править ]

Результатом рулевого управления с усилителем является рулевое управление, чувствительное к скорости, при котором рулевое управление сильно усиливается на низкой скорости и незначительно - на высокой. Автопроизводители полагают, что автомобилистам, возможно, придется прикладывать большие усилия для рулевого управления при маневрировании для парковки, но не при движении на высокой скорости. Первым автомобилем с этой функцией был Citroën SM с его компоновкой Diravi , ^[2]хотя вместо того, чтобы изменить объем помощи, как в современных системах рулевого управления с усилителем, он изменил давление на центрирующий кулачок, который заставлял рулевое колесо пытаться «пружинить» обратно в положение движения по прямой. Современные чувствительные к скорости системы рулевого управления с усилителем уменьшают механическую или электрическую помощь по мере увеличения скорости автомобиля, обеспечивая более прямое ощущение. Эта функция постепенно становится все более распространенной.

Управление четырьмя колесами [ править ]

Управление четырьмя колесами - это система, используемая некоторыми транспортными средствами для улучшения реакции на рулевое управление, повышения устойчивости транспортного средства при маневрировании на высокой скорости или для уменьшения радиуса поворота на низкой скорости.

Активное рулевое управление четырьмя колесами [ править ]

В активной системе рулевого управления с четырьмя колесами все четыре колеса поворачиваются одновременно, когда водитель рулит. В большинстве активных четырехколесных систем рулевого управления задние колеса управляются компьютером и исполнительными механизмами. ^[3] Задние колеса обычно не могут поворачиваться до передних колес. Могут быть элементы управления для отключения заднего рулевого управления и опции для управления только задними колесами независимо от передних колес. На низкой скорости (например, парковка) задние колеса поворачиваются напротив передних колес, уменьшая радиус поворота, что иногда критично для больших грузовиков , тракторов, автомобилей с прицепами и легковых автомобилей с большой колесной базой, а на более высоких скоростях - как передние, так и задние колеса. повернуться одинаково (с электронным управлением), чтобы автомобиль мог менять положение с меньшимрыскание и улучшенное нарастание поперечного ускорения , повышая устойчивость на прямой. ^{[3] [4]} Таким образом, в значительной степени сводится к нулю «эффект змейки», возникающий при движении по автомагистрали при буксировке туристического прицепа . ^{[ сомнительно - обсудить ]}

Рулевое управление с четырьмя колесами нашло наиболее широкое применение в грузовиках-монстрах , где маневренность на небольших аренах имеет решающее значение, а также оно популярно в больших сельскохозяйственных машинах и грузовиках . Некоторые современные европейские междугородние автобусы также используют четырехколесное рулевое управление для повышения маневренности на автобусных остановках, а также для повышения устойчивости дороги. Mazda была пионером в применении четырехколесного рулевого управления в автомобилях, продемонстрировав это на своем концептуальном автомобиле Mazda MX-02 1984 года, на котором задние колеса противодействовали повороту на низких скоростях. ^[5] Mazda продолжила предлагать версию этой электронной системы рулевого управления четырьмя колесами на Mazda 626 и MX6.в 1988 году. Первым раллийным автомобилем, в котором использовалась эта технология, стал Peugeot 405 Turbo 16 . Его дебют состоялся в 1988 году на международном восхождении на холм Пайкс-Пик, где он установил рекордное время 10: 47,77. ^[6] Автомобиль одержал победу в ралли Париж-Дакар 1989 и 1990 годов , снова за рулем Ари Ватанена .

Ранее в моделях Prelude 1987–2001 годов и Honda Ascot Innova (1992–1996) в качестве опции у Honda было четыре колеса рулевого управления . General Motors предложил Delphi «s Quadrasteer в их потребителя Silverado / Sierra и Suburban / Yukon . Однако с момента ее внедрения в 2002–2004 годах с этой системой было продано только 16 500 автомобилей. В связи с низким спросом GM прекратил выпуск этой технологии в конце 2005 модельного года. ^[7] Nissan / Infiniti предлагают несколько версий своих HICAS. система в стандартной комплектации или как опция в большинстве их модельных рядов.

В начале 2000-х на рынок вышло новое поколение систем рулевого управления на четыре колеса. На первый 2001 БМВ оборудован своей 7 -й серии с полным системой рулевого управления ( по желанию, так называемая «Интегральное активное рулевое управление»), который теперь доступен на текущих 7 -й серии , ^[8] 6 серия ^[9] и 5 -й серии ^[4] В качестве опции. Renault представила опциональное рулевое управление всеми колесами под названием «4control» ^{[10] [11] [12]} в 2009 году, сначала на Laguna GT , которая в настоящее время доступна на Talisman , ^[11] Mégane.^[10] и Espace ^[12] автомобильные линии. В 2013 году Porsche представила систему на 991 Turbo в качестве стандартного оборудования. ^[13] С 2016 года Porsche Panamera также предлагается с опциональной системой рулевого управления всеми колесами. ^[14] Audi представила модель Q7 2014 года с дополнительной системой. ^[15] Также японские производители предлагают роскошь сегмента транспортных средстваоборудованные все колеса, такие как Infiniti от модели QX70 ( «Заднего активного рулевого управления») ^[16] и Lexus на GS. ^[17]Итальянские производители запустили технологию в образцовых лет 2016/17 с Ferrari F12tdf , ^[18] Ferrari GTC4Lusso ^[19] , а также Lamborghini Aventador S Coupé . ^[20]

Серийные автомобили с активным четырехколесным управлением [ править ]

Крабовое управление [ править ]

Крабовое управление - это особый тип активного управления всеми четырьмя колесами. Он работает путем поворота всех колес в одном направлении и под одинаковым углом. Крабовое управление используется, когда транспортному средству необходимо двигаться по прямой линии, но под углом (например, при перемещении грузов с помощью ричтрака или во время съемки тележкой для камеры), или когда задние колеса могут не следовать за колеями передних колес ( т.е. для уменьшения уплотнения почвы при использовании катковой сельхозтехники).

Пассивное управление задними колесами [ править ]

Многие современные автомобили имеют пассивное управление задними колесами. На многих автомобилях при повороте задние колеса имеют тенденцию слегка поворачиваться за пределы поворота, что может снизить устойчивость. Пассивная система рулевого управления использует поперечные силы, возникающие при повороте (из-за геометрии подвески), и втулки, чтобы исправить эту тенденцию и слегка направить колеса внутрь угла. Это улучшает устойчивость автомобиля на повороте. Этот эффект называется недостаточной поворачиваемостью, и он или его противоположность присутствует на всех подвесках. Типичные методы достижения недостаточной поворачиваемости - использование рычага Ватта на ведущей задней оси или использование втулок регулировки схождения на подвеске с поворотной балкой . НаНезависимая задняя подвеска обычно достигается за счет изменения показателей резиновых втулок в подвеске. Некоторые подвески, как правило, имеют избыточную поворачиваемость из-за геометрии, например, ведущие оси Hotchkiss , IRS с полуприцепом и задние поворотные балки, но ее можно уменьшить путем изменения точек поворота листовой рессоры или продольного рычага или дополнительных звеньев подвески. или сложная внутренняя геометрия втулок.

Пассивное рулевое управление задними колесами не является новой концепцией, поскольку оно используется в течение многих лет, хотя и не всегда признается таковым.

Шарнирно-сочлененное рулевое управление [ править ]

Шарнирно-сочлененное рулевое управление - это система, с помощью которой автомобиль разделяется на переднюю и заднюю половины, которые соединяются вертикальным шарниром. Передняя и задняя половины соединены с одним или несколькими гидроцилиндрами, которые изменяют угол между половинами, включая переднюю и заднюю оси и колеса, таким образом управляя транспортным средством. В этой системе не используются рулевые тяги, шкворни, рулевые тяги и т. Д., Как в рулевом управлении на четыре колеса. Если вертикальный шарнир расположен на одинаковом расстоянии между двумя осями, это также устраняет необходимость в центральном дифференциале в полноприводных автомобилях, поскольку и передняя, ​​и задняя оси будут следовать по одному и тому же пути и, таким образом, вращаться с одинаковой скоростью. Сочлененные самосвалы обладают очень хорошими внедорожными качествами.

Комбинации транспортных средств с прицепами, такие как полуприцепы , автопоезда , сочлененные автобусы и внутренние транспортные троллейбусы, можно рассматривать как автомобили с пассивным сочленением.

Управление задним колесом [ править ]

Несколько видов использования транспортного средства только заднее колеса рулевого управления, в частности , автопогрузчики , камера тележки , ранние Платны погрузчики , Buckminster Fuller «s Dymaxion автомобиль , и ThrustSSC . ^[32]

В автомобилях рулевое управление задними колесами имеет тенденцию быть нестабильным, потому что в поворотах геометрия рулевого управления изменяется, что приводит к уменьшению радиуса поворота (чрезмерное управление), а не к его увеличению (при недостаточном повороте). Управление задними колесами предназначено для более медленных транспортных средств, которым требуется высокая маневренность в ограниченном пространстве, например для вилочных погрузчиков.

Для перевозки тяжелых грузов или увеличения маневренности некоторые полуприцепы оснащены рулевым управлением задними колесами с электрогидравлическим управлением. Колеса на всех или некоторых задних осях можно поворачивать на разные углы, чтобы обеспечить более крутые повороты, или на один и тот же угол (так называемое «крабовое» рулевое управление) для смещения задней части прицепа вбок.

По проводам [ править ]

Целью технологии управления по проводам является полное устранение максимального количества механических компонентов (рулевой вал, колонка, редукторный механизм и т. Д.). Полная замена традиционной системы рулевого управления на электрическую имеет ряд преимуществ, таких как:

• Отсутствие рулевой колонки упрощает дизайн салона автомобиля.
• Отсутствие рулевого вала, колонки и зубчатого редуктора позволяет значительно лучше использовать пространство в моторном отсеке.
• Рулевой механизм может быть выполнен в виде модульной конструкции.
• Без механического соединения между рулевым колесом и опорным колесом маловероятно, что удар при лобовом столкновении вынудит рулевое колесо вторгнуться в пространство для выживания водителя.
• Характеристики системы рулевого управления можно легко и плавно регулировать, чтобы оптимизировать реакцию и удобство рулевого управления.

По состоянию на 2020 год не существует серийных автомобилей, которые полагаются исключительно на технологию управления по проводам из-за безопасности, надежности и экономических соображений, но эта технология была продемонстрирована на многочисленных концептуальных автомобилях, и аналогичная технология управления по проводам уже используется. как в военной, так и в гражданской авиации. Правила ООН 79 [2003] не допускают механического соединения между водителем и управляемыми колесами.

Безопасность [ править ]

По соображениям безопасности все современные автомобили оснащены складной рулевой колонкой (энергопоглощающей рулевой колонкой), которая разрушается при сильном лобовом ударе, чтобы избежать чрезмерных травм водителя. Подушки безопасности также обычно входят в стандартную комплектацию. Неразборные рулевые колонки, установленные на старых автомобилях, очень часто пронзали водителей при лобовых столкновениях, особенно когда рулевой механизм или рейка устанавливались перед линией передней оси, в передней части зоны деформации . Это было особенно проблемой для автомобилей с жесткой раздельной рамой шасси без зоны деформации. Большинство современных транспортных средств рулевые коробки / стойки устанавливаются за передним мостом на передней перегородке, в задней части передней зоны деформации.

Складные рулевые колонки были изобретены Белой Бареньи и были представлены в 1959 году в Mercedes-Benz W111 Fintail вместе с зонами деформации. Эта функция безопасности впервые появилась ^{[ когда? ]} на автомобили, построенные General Motors после обширной и очень публичной лоббистской кампании, проведенной Ральфом Надером . Компания Ford начала устанавливать складные рулевые колонки в 1968 году. ^[33]

Audi использовала убирающееся рулевое колесо и систему натяжения ремня безопасности под названием procon-ten , но с тех пор она была снята с производства в пользу подушек безопасности и пиротехнических устройств предварительного натяжения ремней безопасности.

Циклы [ править ]

Рулевое управление имеет решающее значение для устойчивости велосипедов и мотоциклов . Подробности см. В статьях о динамике велосипедов и мотоциклов и противодействии рулевому управлению . Рулевые моноциклы и unicycles особенно сложно.

Дифференциальное рулевое управление [ править ]

Дифференциальное рулевое управление является основным средством управления гусеничными транспортными средствами , такими как танки и бульдозеры , также используется в некоторых колесных транспортных средствах, широко известных как бортовое управление , и даже реализовано в некоторых автомобилях, где это называется векторизацией крутящего момента , для усиления рулевого управления путем изменения направление колеса относительно автомобиля.

Другие виды рулевого управления [ править ]

Управление туннельными бурильными машинами осуществляется за счет гидравлического наклона режущей головки. Рельсовые транспортные средства (например, поезда , трамваи ) управляются изогнутыми направляющими, включая стрелочные переводы, и сочлененные ходовые части. Сухопутные яхты на колесах и кайт-багги управляются аналогично легковым автомобилям. Управление ледовыми яхтами и бобслеями осуществляется путем поворота передних направляющих по направлению движения. Снегоходы управляются таким же образом, вращая передние лыжи. Сани, запряженные лошадьми, и собачьи упряжки управляются путем изменения направления тяги. Газонокосилки с нулевым поворотом для поворота на месте используйте независимый гидравлический привод колес.

Рулевое управление гидроциклом [ править ]

Судами и катерами обычно управляют рулем . В зависимости от размера судна, рули направления могут приводиться в действие вручную или управляться с помощью сервомеханизма или системы триммера / сервопривода . Лодки с подвесными моторами управляются за счет вращения всего привода. Лодки с бортовыми двигателями иногда управляются только за счет вращения гондолы гребного винта (например, привод Volvo Penta IPS ). На современных судах с дизель-электрическим приводом используются азимутальные подруливающие устройства . Лодки, управляемые веслами (например, гребные лодки , в том числе гондолы ) или веслами (например, каноэ , каяки), плоты ) управляются за счет создания большей движущей силы на стороне лодки, противоположной направлению поворота. Гидроциклы управляются за счет крена, вызванного смещением веса, и вектора тяги водяной струи . Водные лыжи и доски для серфинга управляются только креном, вызванным смещением веса.

Руля судна может управлять кораблем только тогда , когда вода проходит через него. Следовательно, когда корабль не движется относительно воды, в которой он находится, или не может повернуть руль, он не реагирует на штурвал и, как говорят, «потерял управляемость». Движение корабля по воде известно как «уступая дорогу». Когда судно движется по воде достаточно быстро, чтобы поворачиваться в ответ на штурвал, говорят, что оно имеет «рулевую дорогу». ^[34] Вот почему лодки на реках всегда должны быть с двигателем, даже когда плывут вниз по течению.

Рулевое управление самолетов и судов на воздушной подушке [ править ]

Самолеты обычно управляются с помощью элеронов для наклона самолета в поворот; руль направления используется для минимизации неблагоприятного рыскания , а не как средство непосредственного поворачивания. Ракеты , дирижабли и большие суда на воздушной подушке обычно управляются рулем направления и / или вектором тяги . Маленькие спортивные суда на воздушной подушке имеют аналогичные рули направления, но в основном они управляются пилотом, который перекладывает свой вес из стороны в сторону и выводит из равновесия более мощные подъемные силы под юбкой. Реактивные ранцы и летающие платформы управляются только вектором тяги .Вертолеты управляются с помощью циклического управления, изменяющего вектор тяги несущего винта (ов), и с помощью управления противовращающим моментом, обычно обеспечиваемым хвостовым винтом (см. Органы управления полетом вертолета ).

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

• Энциклопедия немецких танков Второй мировой войны Питера Чемберлена и Хилари Дойл, 1978, 1999

Внешние ссылки [ править ]

Найдите рулевое управление в Викисловаре, бесплатном словаре.

• Как работает рулевое управление (HowStuffWorks.com)
• Технический доклад 2000 г. по кинематической конструкции реечных рулевых тяг.
• Технический документ 2002 г. по кинематической конструкции рулевых тяг с коленчатым рычагом