МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

М.П. МАЛИНОВСКИЙ

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

КОЛЁСНЫХ МАШИН

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)»

М.П. МАЛИНОВСКИЙ

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

КОЛЁСНЫХ МАШИН

Допущено Федеральным УМО по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки

23.00.00 – «Техника и технологии наземного транспорта» в качестве учебного пособия для обучающихся по направлению подготовки

23.05.02 – «Транспортные средства специального назначения», уровень образования – «специалитет»

МОСКВА МАДИ 2018

УДК 629.3.02-5 ББК 39.33-04

М192

Рецензенты: зав. кафедрой «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные

роботы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, д-р техн. наук Горелов В.А.; проф. кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта

и автосервис» МАДИ, д-р техн. наук Солнцев А.А.

Малиновский, М.П. М192 Системы управления колёсных машин: учеб. пособие /

М.П. Малиновский. – М.: МАДИ, 2018. – 100 с.

ISBN 978-5-7962-0234-0

В учебном пособии изложены основы конструирования таких систем управления колесных машин, как рулевое управление, трансмиссия, тормозная система, а также различные системы активной безопасности. Рассмотрены во-просы их классификации, конструкции, применения и автоматизации. Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по на-правлению подготовки 23.05.02 – «Транспортные средства специального назна-чения», а также может быть рекомендовано студентам других направлений под-готовки, изучающим конструкцию колесных автотранспортных средств.

УДК 629.3.02-5 ББК 39.33-04

ISBN 978-5-7962-0234-0 © МАДИ, 2018

3

ВВЕДЕНИЕ

Такие эксплуатационные свойства, как устойчивость, управляе-мость и экономичность, а также эффективность и безопасность дви-жения колёсных машин определяются, в первую очередь, правильным выбором конструкции и надёжностью их систем управления. Понятие «системы управления» подразумевает не только традиционные руле-вое управление, трансмиссию и тормозную систему, но и системы ак-тивного подрессоривания и управления давлением воздуха в шинах, а также различные системы активной безопасности (САБ) и интеллекту-альные транспортные системы (ИТС). Конструктивная безопасность колесных машин стала неразрывно связанной с интеллектуальными технологиями, автомобили научили активно взаимодействовать друг с другом и с дорожной инфраструкторой. В последние годы уровень развития технологий преодолел некий потенциальный барьер, что по-зволило реализовать первые успешные проекты по созданию авто-номных транспортных средств. Таким образом, задача совершенство-вания систем управления не только не стала менее актуальной, но и вышла на новый уровень. Сегодня изучение и конструирование сис-тем управления происходит на стыке теории движения автомобиля с такими сферами науки, как организация дорожного движения, транс-портная телематика, психофизиология.

Настоящее учебное пособие включает рассмотрение таких во-просов, как классификация, конструкции, применение и автоматизация систем управления колесных машин. Основная цель пособия – рас-ширение знаний в области конструирования систем управления ко-лёсных транспортных средств.

Издание предназначается для студентов высших учебных заве-дений, обучающихся по направлению подготовки 23.05.02 – «Транс-портные средства специального назначения», в качестве основной литературы по дисциплине «Системы управления военных гусенич-ных и колесных машин». Оно может быть рекомендовано также сту-дентам других направлений подготовки, изучающим конструкцию ко-лесных транспортных средств.

4

1. КОЛЁСНАЯ МАШИНА КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Система ВАДС

Управление – это процесс целесообразного (направленного на достижение определённой цели) изменения состояния или положения некоторого объекта. Системы, имеющие свободу и осуществляющие выбор дальнейшего состояния, положения, значений параметров, структуры и т.п., называются системами управления. Система управления предполагает наличие:

1) субъекта управления; 2) объекта управления; 3) среды, в которой протекает процесс управления и которая

оказывает влияние как на состояние объекта, так и на сам процесс управления.

Система управления колёсной машины должна обеспечить за-данное качество процесса управления в любых реальных (в рамках технического задания) условиях движения с учётом индивидуальных качеств оператора (водителя). Наиболее полно этот процесс отобра-жается с помощью системы водитель–автомобиль–дорога–среда (ВАДС). На рисунке 1.1 показана сравнительная характеристика тра-диционного и современного (приведено в скруглённых прямоугольни-ках) представления о системе ВАДС.

Рис. 1.1. Система ВАДС

Изучение системы ВАДС включает такие аспекты, как влияние водителя на поведение системы в целом и влияние среды на способ-

5

ность водителя выполнять требуемые функции при заданном уровне комфорта длительное время без явных признаков утомляемости.

Водитель является главным звеном системы ВАДС по ряду причин: 1) автомобиль призван удовлетворять запросам людей; 2) человек – наиболее сложное звено системы, его реакция на

внешнее возмущение со стороны других звеньев неоднозначна; 3) основная часть дорожно-транспортных происшествий (ДТП)

происходит по вине человека (т.н. человеческий фактор).

Необходимо рассматривать понятие «человеческий фактор» в более широком смысле, чем это принято сегодня на юридическом уровне. Истинной причиной большинства ДТП, произошедших по причине тех-нической неисправности автомобиля, сложных погодных условий или плохого состояния дорог, также является человеческий фактор. Во-ровство материалов при строительстве и ремонте дорог, недобросо-вестное выполнение технического обслуживания и ремонта автомо-биля механиками, несоблюдение скоростного режима в сложных до-рожных условиях водителем – всё это примеры проявления челове-ческого фактора.

Человек как субъект управления выполняет следующие функции: 1) постановку цели (роль задатчика цели); 2) осуществление обратной связи (ОС) по результатам оценки

соответствия текущего состояния заданному и сведение к нулю рассо-гласования между ними;

3) упреждающее определение параметров внешней среды и создание соответствующих управляющих воздействий (данную функ-цию пытаются переложить на ИТС). Например, узнать прогноз погоды и отменить поездку.

Человек вносит в систему ВАДС следующие особенности: 1. Целеустремлённость. Человек стремится к достижению цели в

изменяющихся условиях, применяя различные средства из набора имеющихся.

2. Адаптивность, то есть способность изменить структуру, спосо-бы, алгоритмы действий.

3. Самоорганизуемость, то есть способность принимать само-стоятельные решения в нестандартных ситуациях. Например, автома-тическая система управления не сможет решить, что лучше: тормо-зить и врезаться в стоящее транспортное средство или объехать по

6

обочине, сбив пешеходов; нарушить правила дорожного движения или объехать лужу.

4. Высокая живучесть за счёт способности использовать дубли-рование функций и элементов систем управления, восстанавливать неисправные элементы систем управления.

1.2. Классификация систем управления

Базовые системы управления присущи любой современной ко-лёсной машине (рис. 1.2). К ним относятся рулевое управление, тор-мозная система и силовой привод, состоящий из двигателя и транс-миссии. Системы более высокого уровня осуществляют своё управ-ляющее воздействие через базовые.

Системы управления колёсной машины можно классифициро-вать по ряду признаков: парадигмам управления, типу и характеру действия, степени автоматизации.

Классификация по парадигмам управления (табл. 1.1) основа-на на типе связи (пассивной или активной) между звеньями системы водитель–автомобиль–дорога–объекты–среда (ВАДОС) (рис. 1.3). Под внешними объектами понимаются пешеходы и другие транспорт-ные средства.

Таблица 1.1 № Управление Признаки 1 Традиционное Все подсистемы контролируются водителем

2 Активное Автомобиль помогает водителю отслеживать дорогу и внешние объекты

3 Интеллекту-альное

Дорожная инфраструктура и внешние объекты передают активные сигналы автомобилю (каналы V2V, I2V, P2V)

4 Дистанционное Водитель дистанционно управляет автомобилем, который отслеживает дорогу, внешние объекты и среду

5 Автономное Водитель задаёт маршрут, автомобиль отслеживает дорогу и помехи посредством активных сигналов от них

6 Роботизиро-ванное

Автомобиль полностью выполняет функции водителя при достижении заданной им конечной цели

Традиционные системы управления не изменяют характер управляющего воздействия водителя и бывают трёх типов:

1) прямого действия – с использованием только мускульной си-лы водителя;

2) непрямого действия – с усилителем; 3) с серводействием – водитель только управляет процессом,

при этом используется энергия дополнительного источника.

7

Рис. 1.2. Структура систем управления колёсной машины: РУ – рулевое управление; РК – рулевое колесо; РМ – рулевой механизм; РП – рулевой привод; ТС – тормозная система, РТС – рабочая, СТС – стояночная; ТП – тормозной привод; ТМ – тормозной механизм; СП – силовой привод; Сц – сцепление; КП – коробка передач; РК – раздаточная коробка; ПТ – подача топлива;

ДВС – двигатель; Тр – трансмиссия; УК – управляемое, ВК – ведущее колесо; АРУ – активное рулевое управление; СУР – система удержания ряда;

СПП – система помощи при перестроении; АБС – антиблокировочная система; ПБС – противобуксовочная система; АКК – активный круиз-контроль;

СПС – система предотвращения столкновений; СДС – система динамической стабилизации; АСУД – автоматизированная система управления двигателем;

ЭБУ – электронный блок управления; ДОК – датчик оборотов колеса; ДОКВ – датчик оборотов коленчатого вала; ДУ – датчик ускорения;

ДД – датчик дистанции

Рис. 1.3. Система ВАДОС

8

Активное управление характеризуется появлением на колёсной машине сенсорного обеспечения, фиксирующего состояние дороги (датчики оборотов колёс), поведение автомобиля (датчики ускорения) и положение внешних объектов в пассивном режиме (датчики дистан-ции, техническое зрение). Системы активной безопасности (САБ) предназначены для снижения тяжести ДТП до момента его наступле-ния и различаются по характеру действия:

1) информационные – только предупреждают водителя об опас-ности, не вмешиваясь в процесс управления;

2) корректирующие – при критических условиях изменяют харак-тер управляющих воздействий от водителя или срабатывают автома-тически, действуют строго по заложенному в них алгоритму;

3) превентивные – срабатывают автоматически до возникнове-ния критической ситуации, способны накапливать информацию и на основе её анализа изменять алгоритм действия (адаптивные системы управления).

Способы действия информационных САБ: 1) акустический (зуммер); 2) визуальный (индикатор, дисплей видеокамеры); 3) тактильный (вибрация руля, педали или бокового валика си-

денья). Принципы действия информационных САБ: 1) релейный (опасно/неопасно); 2) аналоговый (только визуальным способом – указание дистан-

ции в метрах, изображение с видеокамеры, давление на манометре). По степени автоматизации различают системы управления: 1) механизированные; 2) автоматизированные; 3) автоматические. Механизация – это направление научно-технического прогресса,

подразумевающее применение машин и механизмов, заменяющих мускульный труд оператора. Традиционные системы можно считать механизированными. Автоматизация заключается в использовании саморегулирующих технических средств с целью частичного (автома-тизированные системы) или полного (автоматические системы) осво-бождения человека от участия в процессах получения, преобразова-

9

ния, передачи и использования энергии или информации, в данном случае – при выполнении оперативного, тактического и стратегическо-го аспектов задачи управления колёсной машиной. Оперативный ас-пект подразделяется на продольную (разгон/торможение) и попереч-ную (изменение курсового угла) составляющие. Тактический аспект подразумевает принятие решений о смене ряда, обгоне, включении указателей поворота и т. п., стратегический – выбор маршрута, объезд заторов. Автономное и роботизированное управление подразумевает перераспределение отдельных или всех аспектов задачи управления от водителя к колёсной машине. Однако задатчиком цели в любом случае остаётся человек.

Контрольные вопросы по теме 1

1. Что относится к каждому из звеньев системы ВАДС? 2. Почему водитель является главным звеном системы ВАДС? 3. Какие функции и особенности присущи человеку как элементу системы ВАДС?

4. Какие парадигмы управления вы знаете? Каковы их признаки? 5. Приведите классификации систем управления по типу и характеру действия.

6. Что входит в структуру систем управления колёсной машины? 7. Как различают системы управления по степени автоматизации? 8. Назовите основные аспекты задачи управления колёсной машиной.

10

2. РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ

2.1. Способы поворота колёсной машины

Поворот колёсных машин осуществляется тремя основными способами:

1) поворотом плоскостей качения колёсных движителей; 2) складыванием сочленённых звеньев; 3) изменением относительной скорости колёсных движителей

противоположных бортов.

2.1.1. Поворот плоскостей качения колёс

Данный способ может осуществляться по одному из трёх ва-риантов:

1) с помощью управляемых колёс; 2) посредством управляемых мостов; 3) за счёт многоколёсных опор. Первый вариант является наиболее распространённым спосо-

бом поворота колёсных машин. В зависимости от назначения, конст-рукции, массы, габаритов и условий эксплуатации колёсной машины число и размещение управляемых осей может быть различным (рис. 2.1). Второй вариант применяется на прицепах. В этом случае поворотный мост кинематически связан с дышлом тягово-сцепного устройства (рис. 2.2, а). Иногда для повышения грузоподъёмности два поворотных моста объединяют в единую подкатную тележку (т.н. «долли»), которую считают отдельным звеном автопоезда. Тре-тий вариант широко распространён на прицепных звеньях и плат-формах особо большой грузоподъёмности (рис. 2.2, б).

Из теоретической механики известно, что плоское движение твёрдого тела можно представить состоящим из последовательных элементарных поворотов вокруг мгновенных центров поворота (т. О), которые находятся по известным скоростям двух точек тела. Аналогичным образом находятся центр и радиус поворота колёсной машины, для которой известно направление векторов скоростей любых двух колёс.

11

Рис. 2.1. Схемы поворота двухосной колёсной машины: а) с передними управляемыми колёсами; б) с четырьмя управляемыми колёсами; R – радиус поворота; B – колея; L – база; α – углы поворота управляемых колёс

Рис. 2.2. Схемы поворота автопоезда с поворотной осью (а) и многоопорной транспортной платформы (б)

Радиус поворота переднего наружного колеса для двухосной ко-лёсной машины с передней управляемой осью (рис. 2.1, а) определя-ется по формуле:

н

,sin(α )

LR =

где L – база; αн – угол поворота наружного управляемого колеса.

12

При составлении данной и последующих расчётных схем прини-маются допущения:

1. Колея передней и задней оси одинакова (B1 = B2). Это верно для армейских полноприводных автомобилей, однако у дорожных ко-лёсных машин колея передней оси обычно шире, чем задней.

2. Вектор скорости колеса находится в его средней плоскости. Это верно для жёсткого колеса, но для эластичной шины он отклоня-ется в сторону действия боковой силы на величину угла увода.

Радиус поворота для двухосной колёсной машины с обеими управляемыми осями (рис. 2.1, б):

1н

,2sin(α )

LR =

то есть в два раза меньше. Такая схема поворота не нашла широко-го применения ввиду плохой управляемости и низкой устойчивости задних управляемых колёс вследствие недостаточной жёсткости рулевых тяг.

Схема с задней управляемой осью позволяет точнее направлять передок колёсной машины, поэтому она используется на погрузчиках и цеховых электрокарах.

В связи с многообразием схем поворота для их обозначения ис-пользуют формулу рулевого управления, которая составляется по следующим правилам:

1) управляемые оси обозначаются порядковым номером, не-управляемые – нулём;

2) между разнесёнными осями ставится знак тире; 3) мосты с двускатной ошиновкой берутся в скобки, за которыми

ставится цифра «4»; 4) если управляемые колёса могут блокироваться в нейтральном

положении, соответствующие мосты берутся в скобки, за которыми ставится буква «Б»;

5) при наличии нескольких постов управления они обозначаются буквой «Р».

На рисунке 2.3 приведены несколько формул рулевого управле-ния. Например, БРМ Luchs имеет четыре управляемых моста, блоки-руемых попарно, и два поста управления.

13

Рис. 2.3. Формулы рулевого управления

2.1.2. Складывание сочленённых звеньев

Радиусы поворота звеньев сочленённой колёсной машины будут различными, если поворотный шарнир несимметричен относительно базы (рис. 2.4):

21 1 c

c

ctgα ,cosα 2

BR⎛ ⎞

= + ⋅ +⎜ ⎟⎝ ⎠

12 2 c

c

ctgα ,cosα 2

BR⎛ ⎞

= + ⋅ +⎜ ⎟⎝ ⎠

где αс – угол складывания. Если ℓ1 = ℓ2 = L/2, то

c

c

1 cosα .2 sinα 2L BR +

= ⋅ +

Такая схема позволяет повысить манёвренность колёсной ма-шины. Угол складывания αс может достигать 90°, и радиус поворота

14

будет в 1,7…1,8 раза меньше, чем у машины с передней управляемой осью и такой же базой.

Поворот осуществляется подкатом при складывании одного из звеньев. Какое именно звено подкатывается, определяется соотно-шением масс звеньев, расположением шарнира С и компоновкой ве-дущих осей. Если соединение звеньев допускает их поворот относи-тельно трёх взаимно-перпендикулярных осей (вертикальной, попе-речной и продольной), повышается проходимость, разгружаются рама и подвеска.

Рис. 2.4. Схема сочленённой машины

Недостатком данного способа поворота является снижение устойчивости движения на повышенных скоростях вследствие воз-мущающего воздействия прицепного звена на тягач при его смеще-нии. Поэтому такая схема нашла применение на транспортных средствах, работающих преимущественно на низких скоростях, на-пример, на одноосных тягачах МоАЗ и тракторе Т150К «Кировец».

2.1.3. Изменение относительной скорости колёс

Увеличение манёвренности колёсной машины, упрощение при-вода ведущих колёс, увеличение полезного объёма кузова, установка

15

шин большой размерности обусловили применение способа поворота путём изменения соотношения угловых скоростей колёс разных бор-тов («по-гусеничному»).

Данный способ позволяет произвести поворот вокруг центра машины при вращении колёс разных бортов в противоположных на-правлениях. Однако этому сопутствует значительное увеличение мощности, необходимой для поворота, из-за резкого возрастания мо-мента сопротивления повороту и бокового скольжения.

Рис. 2.5. Схемы поворота «по-гусеничному»: а) с задней ведущей осью; б) с двумя ведущими осями

Соотношения радиусов поворота и скоростей для двухосной ко-лёсной машины со схемой поворота «по-гусеничному» и задней ве-дущей осью (рис. 2.5, а) будут следующими:

v1бн = v1бв = v1б, то есть скорости бокового скольжения наружного и внутреннего колёс равны, так как колея B является константой;

2 2 2П 2( ) ,R B R L= + + откуда можно вывести R2;

2н 2

2в 2

;v B Rv R

+=

1н 2н

П 2

ω ,v vR B R

= =+

где ω – угловая скорость машины относитель-

но центра поворота O;

2н 2в ,2

v vv += где v – скорость колёсной машины;

16

1б 1нП

.Lv vR

=

В случае, если обе оси являются ведущими (рис. 2.5, б), скоро-сти бокового скольжения имеют место на всех колёсах, при этом на передней и задней осях они направлены в разные стороны.

Способ поворота «по-гусеничному» применяется на дорожно-строительных машинах типа «Bobcat», многоосных машинах с мотор-колёсами и бесступенчатым регулированием скорости, на средней не-управляемой оси трёхосных колёсных машин и т.п.

2.1.4. Комбинированные способы поворота

Создание современных систем управления поворотом стало возможным благодаря внедрению микропроцессорных технологий на автомобильном транспорте. Стремление улучшить одновременно управляемость и манёвренность колёсных машин привело к примене-нию комбинированных способов поворота. Их использование связано с усложнением как конструкции рулевого управления, так и алгоритма его действия. На машинах с передней управляемой осью при одно-бортном торможении задних колёс минимального радиуса поворота уменьшается на 13…15%.

2.2. Назначение и состав рулевого управления

Рулевое управление – это совокупность устройств, обеспечи-вающих поворот управляемых колёс (мостов, опор) при воздействии водителя на рулевое колесо. Рулевое управление состоит из органа управления, рулевого механизма и рулевого привода. Для облегчения поворота в механизм или привод может быть встроен усилитель.

Рулевой механизм предназначен для передачи усилия от органа управления к рулевому приводу и уменьшения потребного усилия на рулевом колесе, то есть выполняет силовую функцию. Рулевой при-вод служит для передачи усилия от рулевого механизма к управляе-мым колёсам (мостам, опорам) и обеспечения необходимого соотно-шения между углами их поворота, то есть выполняет кинематиче-скую функцию.

17

Идея рулевого управления принадлежит Альфреду Вашерону, кото-рый в июне 1894 г. для гонки Париж–Руан установил круглый руль на свой «Panhard&Levassor P2D» и в том же году запатентовал его.

2.3. Классификация рулевых управлений

Классификация рулевых управлений по энергоносителю, типу рулевого механизма и компоновке приведена на рис. 2.6. Наибольшее распространение на колёсных машинах получило механическое руле-вое управление. На тракторной и дорожно-строительной колёсной технике широко применяется также гидрообъёмное рулевое управле-ние (ГОРУ). На большегрузных многоопорных транспортных плат-формах и автопоездах используется электрическое рулевое управле-ние (ЭРУ) без механической связи между органом управления и управляемыми колёсными движителями. С 2013 г. ЭРУ устанавлива-ется серийно на легковых автомобилях «Nissan/Infiniti».

Рис. 2.6. Классификация рулевых управлений

ГОРУ и ЭРУ априори имеют привод с серводействием. Меха-ническое рулевое управление может быть прямого действия или с усилителем.

18

Первые усилители рулевого управления, появившиеся в 1930-х гг., имели пневматический привод. Они применялись, например, на грузовых автомобилях КрАЗ-214Б и КрАЗ-257, а также на троллейбусах ЗиУ. Води-телям троллейбусов нравилось то, что при отключении тока некоторое время сохранялась остаточная управляемость. Однако у пневматических усилителей отсутствовало следящее действие, а вследствие срабатыва-ния по релейному принципу рулевое колесо выбивало из рук и перекру-чивало в сторону поворота, поэтому в дальнейшем от них отказались.

Наибольшее распространение на колёсных машинах получил гидравлический усилитель руля (ГУР). На легковых автомобилях в по-следние десятилетия всё чаще применяют также электрогидравличе-ский (ЭГУР) и электромеханический (ЭМУР) усилители рулевого управления.

Необходимо чётко различать ГУР, ЭГУР и ЭМУР. ГУР име-ет привод насоса от шкива коленчатого вала двигатиля, ЭГУР – от отключаемого электромотора, питающегося от бортовой сети. ЭМУР же вовсе не имеет гидравлики, а уси-ление осуществляется за счёт электромотора.

Рулевые механизмы бывают двух видов – с вращательным и по-ступательным движением на выходе. К первому виду относятся чер-вячные, винтовые и кривошипные механизмы, ко второму – реечные.

Червячные механизмы могут иметь следующие пары зацепления: 1) цилиндрический червяк – центральный сектор; 2) цилиндрический червяк – боковой сектор; 3) глобоидный червяк – двухгребневый ролик; 4) глобоидный червяк – трёхгребневый ролик. Самым распространённым типом рулевого механизма на колёс-

ных машинах является винт – шариковая гайка – рейка – сектор. Ра-нее применялись также винтовые механизмы типа винт – гайка – ры-чаг, качающийся винт – гайка, винт – поворачивающаяся гайка.

Кривошипные рулевые механизмы (типа цилиндрический чер-вяк – кривошип) в настоящее время не применяются ввиду сложно-сти конструкции, малой долговечности и низкого КПД.

19

2.4. Правила проектирования рулевого привода

2.4.1. Применение разрезной рулевой трапеции

Рулевая трапеция является частью рулевого привода, обеспе-чивающей требуемую зависимость между углами поворота управляе-мых колёс. Типовые схемы рулевых трапеций приведены на рис. 2.7. На грузовых автомобилях с капотной компоновкой трапеция, как пра-вило, располагается за мостом (рис. 2.7, б), с бескапотной компонов-кой – перед мостом (рис. 2.7, в).

Рис. 2.7. Типовые схемы рулевых трапеций: а) цельная; б–в) разрезная для механизма с вращательным движением на выходе; г–д) разрезная для реечного механизма; е) индивидуальная

для каждой из двух управляемых осей; ж) общая для двух управляемых осей

При наезде одним управляемым колесом на неровность расстоя-ние O1O2 между шкворнями остаётся постоянным, если подвеска явля-ется зависимой (рис. 2.8, а). При независимой подвеске наезд на не-ровность сопровождается увеличением расстояния O1O2, вследствие чего происходит самопроизвольный поворот боковых тяг и, соответст-венно, управляемых колёс (рис. 2.8, б). С целью предотвращения дан-ного явления применяют разрезную рулевую трапецию (рис. 2.7, б–д).

Правило №1: при независимой подвеске управляемых колёс применяют разрезную рулевую трапецию.

20

Рис. 2.8. Наезд на неровность одним колесом: а) при зависимой подвеске; б) при независимой подвеске

2.4.2. Коэффициент бокового скольжения

При повороте колёсной машины с эластичными шинами возни-кает увод – боковое скольжение колёс. Различают увод:

1) силовой – возникающий вследствие действия боковой силы на колесо с эластичной шиной;

2) кинематический – связанный с наклоном колёс (в том числе неуправляемых) в поперечной вертикальной плоскости, вызванным углом развала и кинематикой подвески (наклонённое колесо стремит-ся катиться с уводом в сторону наклона);

3) геометрический – вызванный несоответствием углов пово-рота колёс расчётным значениям для чистого качения вследствие геометрических свойств рулевой трапеции.

В идеальном случае при установившемся криволинейном дви-жении центр поворота O должен лежать в точке пересечения перпен-дикуляров к плоскостям качения управляемых колёс с продолжением задней оси колёсной машины (рис. 2.9, а). Однако рулевая трапеция не может обеспечить расчётные соотношения углов поворота управ-ляемых колёс αн и αв, соответствующие чистому качению (то есть без бокового скольжения), для всех радиусов поворота, и возникает гео-метрический увод.

21

Рис. 2.9. Расчётная схема поворота двухосной колёсной машины: а) при чистом качении; б) при наличии увода

Поворот машины с эластичными шинами сопровождается боко-вым проскальзыванием колёс (рис. 2.9, б). Центр поворота смещается из точки O в точку O′, проекция которой лежит на расстоянии L′ от пе-редней оси, не равном базе L. В результате векторы скоростей перед-них колёс v1 отклоняются от расчётных углов поворота α на величину углов увода δ1. Векторы скоростей задних колёс v2 теперь направлены перпендикулярно лучам, проведённым из точки O′, скорость бокового скольжения v2б = v·tgδ2. Исходя из соотношения углов увода, различают поворачиваемость недостаточную (δ1 > δ2), нейтральную (δ1 = δ2) и избыточную (δ1 < δ2). Степень отклонения качения колёс от идеального характеризуется коэффициентом бокового скольжения λ = L′/L.

Правило №2: чем ближе коэффициент бокового скольже-ния λ к 1, тем меньше геометрический увод и износ шин. Ра-венство λ = 1 должно соблюдаться для области наиболее ходовых радиусов поворота, исходя из назначения машины.

У серийных колёсных машин λ лежит в пределах 0,9…1,07. Од-нако необходимо учитывать, что даже при λ = 1 может возникнуть си-ловой и кинематический увод.

22

2.4.3. Несколько управляемых осей

При наличии нескольких управляемых осей уравнения связи между углами поворота колёс каждой из них и геометрическими ха-рактеристиками колёсной машины будут следующими (рис. 2.10): 1 1н 2 2н .н П 1нctgα ctgα ... ctgα ( )cosα ,i iL L L R b= = = = − (2.1)

.н .в2ctgα ctgα .i i

i i

B B bL L′ − ⋅

− = = (2.2)

Очевидно, что углы поворота управляемых колёс для разных осей пропорциональны расстоянию Li от них до центра поворота O.

Рис. 2.10. Схема поворота машины с двумя управляемыми осями

Правило №3: передаточное число рулевого привода к управ-ляемым осям должно быть различным, что обеспечивается соотношением длин рулевых рычагов и тяг каждой оси.

Углы поворота управляемых колёс αн и αв многоосной колёсной машины с несколькими управляемыми осями, полученные по форму-лам (2.1) и (2.2), на практике корректируются в соответствии с её ди-намическими свойствами.

23

При наличии задней управляемой оси движение становится ме-нее устойчивым из-за меньшей жёсткости рулевого привода. Поэтому при высоких скоростях задние управляемые колёса блокируют в ней-тральном положении. На рисунке 2.11 приведены зависимости углов поворота наружных управляемых колёс от угла поворота рулевого ко-леса θ для машины с формулой рулевого управления 1–2–3. При ма-лых углах поворота (θ < 150°), что имеет место на высоких скоростях движения, рулевой привод задней оси заблокирован. При больших θ уменьшается угол поворота колёс средней оси для улучшения манёв-ренности на малых скоростях, при этом центр поворота смещается ближе к задней оси. Такие характеристики достигаются либо раздель-ным управлением поворотом колёс каждой оси, либо кинематикой ры-чажных механизмов. Например, в продольную тягу рулевой трапеции заднего моста вводят специальное рычажное устройство, имеющее «мёртвую зону» ∆SA (рис. 2.12), в которой перемещение ведомого шарнира SВ близко к нулю.

Рис. 2.11. Кинематическая характеристика рулевой управления

с формулой 1–2–3

Рис. 2.12. Характеристика рычажного механизма с «мёртвой зоной» в рулевом приводе задней оси

2.4.4. Согласование кинематики рулевого привода и подвески

Подвеска управляемых колёс и рулевой привод создают сложную колебательную систему с несколькими степенями свободы (рис. 2.13). Из теории гироскопа известно, что если внешнюю рамку вращать в плоскости чертежа со скоростью dψ/dt, то внутренняя рамка с вра-щающимся маховиком будет перемещаться вокруг вертикальной оси со скоростью dα/dt.

24

Перенеся эффект гироскопа на управляемые колёса, можно за-ключить, что перемещение оси колёс в поперечной плоскости со ско-ростью dψ/dt вызовет их поворот со скоростью dα/dt в пределах, до-пустимых жёсткостью рулевого привода.

Рис. 2.13. Поворот подрессоренных масс (а) по закону гироскопа (б)

Если имеется постоянная циклическая сила, вызывающая верти-кальное перемещение колёс, возникает их колебательный поворот – т.н. эффект «шимми». Средствами борьбы с ним являются устранение дис-баланса колёс, применение независимой подвески, рациональное про-ектирование рулевого привода (рис. 2.14). Например, при перемещении колеса на рессорной подвеске (рис. 2.14, а) шарнир А продольной руле-вой тяги должен перемещаться так, чтобы не увеличивалось проскаль-зывание управляемых колёс. Для независимой подвески (рис. 2.14, б) расположение шарнира сошки T подбирается конструктивно вблизи от шарниров О1 и О2, при этом точка P является мгновенным центром по-ворота подвески, а проекция поворотного рычага рулевой трапеции оп-ределяется как б бsinα .u = ⋅

Правило №4: кинематика рулевого привода и подвески должна быть согласована. Большое значение имеет взаим-ное расположение рулевого механизма и шарниров подвес-ки. Это одна из наиболее сложных задач при проектировании колёсных машин, так как имеет много переменных и не ре-шается аналитически.

25

Рис. 2.14. Согласование кинематики рулевого привода и подвески: а) зависимая рессорная подвеска; б) независимая двухрычажная подвеска;

vB, vC – скорости качания шарниров

На жёсткость и КПД рулевого привода значительно влияет кон-струкция его шарниров. Основными требованиями к ней являются от-сутствие зазоров в соединении и низкий коэффициент трения. Первое требование выполняется конструктивно за счёт прижатия сфериче-ских корпусны́х деталей к головкам шарниров с помощью пружин или завальцованных корпусо́в шарниров. Второе требование – изготовле-нием шаровы́х головок из закалённой стали с высокой твёрдостью по-верхности, корпусо́в шарниров – из антифрикционных материалов (бронзы, латуни), а также смазкой шарниров и применением пласт-массовых вкладышей с низким коэффициентом трения.

2.5. Стабилизация и углы установки управляемых колёс

К рулевому управлению предъявляются два требования, проти-воречивых по своей сути: с одной стороны, оно должно обеспечивать

26

стабилизацию управляемых колёс, с другой – усилие на рулевом ко-лесе не должно превышать значений, установленных ГОСТ Р 52302-2004. Стабилизация – свойство управляемых колёс сопротивляться отклонению от нейтрального положения при воздействии внешних и внутренних сил и самостоятельно возвращаться в него после прекра-щения их действия. Чтобы достичь оптимального соотношения между управляемостью и устойчивостью движения колёсной машины, чувст-вительностью и информативностью рулевого управления, усилием на рулевом колесе и стабилизирующими моментами, управляемые колё-са изначально устанавливают под определёнными углами, среди ко-торых различают (рис. 2.15):

– углы развала β; – углы схождения γ; – углы продольного ζ и поперечного ξ наклона шкворней.

Рис. 2.15. Углы установки управляемых колёс

Информативность определяется силовым следящим дейст-вием (т.н. «чувством дороги») – пропорциональностью усилия на ру-левом колесе углам поворота и реакциям на колёсах. Под чувстви-тельностью рулевого управления понимается время и острота его реакции на поворот рулевого колеса.

Углы установки взаимосвязаны: каждый из них компенсирует не-достатки, вызванные наличием других углов (рис. 2.16). Развал и схо-ждение регулируются для всех колёс машины, углы наклона шкворня имеют отношение только к управляемым колесам.

27

Рис. 2.16. Взаимосвязь углов установки и моментов стабилизации

Для колёсной машины, которая движется прямолинейно, иде-альным считается такое положение колёс, когда плоскости их качения перпендикулярны поверхности дороги, параллельны плоскости сим-метрии кузова и траектории движения. В этом случае сцепление колёс с дорогой максимально, а потери мощности на трение и износ шин, наоборот, минимальны. Углы установки регулируются в статике под действием только веса G. Однако в движении картина меняется. При ускорениях возникает дифферент кузова. При криволинейном движе-нии со скоростью v на колёсную машину действует центробежная си-ла Fj, вследствие которой кузов приобретает крен, а на управляемых колёсах возникают боковые силы Fб и противодействующие им попе-речные реакции RY.

2.5.1. Поперечный наклон шкворня

Поперечный наклон шкворня ξ > 0 выполняет следующее: 1. Обеспечивает весовую стабилизацию (см. § 2.5.3). Избыточ-

ный наклон приводит к чрезмерному усилию на рулевом колесе при больших углах поворота.

2. Уменьшает радиус обкатки rf (см. § 2.5.4). При ξ > 10° радиус rf может стать отрицательным.

Примечания: 1. У современных дорожных машин ξ = 6...8°. 2. Разница ξлев и ξправ более 1° приводит к боковому дрейфу колёсной ма-

шины.

28

При существующих схемах подвески ось поворота колеса проще разместить сбоку от него. Однако на автомобиле «Citroën DS» (1955–1975 гг.) шарниры двухрычажной под-вески были расположены внутри обода в центральной плоскости качения колеса, ось поворота имела неболь-шой продольный наклон, а поперечный наклон, радиус обкатки и развал были равны нулю. Тормозные механиз-мы пришлось вынести с колёс на главную передачу.

Автомобиль на скорости уверенно проезжал по лужам, грязи и неров-ностям без ощутимой реакции на рулевом колесе и отклонения от прямолинейного движения ввиду отсутствия плеч относительно оси поворота у сил, действующих в плоскости качения колеса. Схема не получила распространения, так как она нивелировала эффект весо-вой стабилизации и снижала чувствительность рулевого управления.

Включённый угол χ (англ. included angle) является конструктив-ной константой, зависит от геометрии цапфы и определяет её положе-ние относительно оси поворота колеса. Он находится как сумма углов развала и поперечного наклона шкворня (χ = β + ξ). С уменьшением β увеличивается ξ и наоборот. Поэтому при регулировке колёс проверку ξ предваряют корректировкой β. Отклонение ξ от нормы свидетельствует о смещении точек, задающих положение оси поворота, причиной кото-рого может быть деформация цапфы или элементов подвески.

2.5.2. Развал

История показывает, что на различных средствах передвижения при выборе развала колёс конструкторы в каждом конкретном случае ру-ководствовались своими приоритетными соображениями. С положи-тельным развалом устанавливали колёса у быстроходных карет и ко-лясок на конной тяге, чтобы грязь, летевшая с колёс, не попадала на экипаж и пассажиров, и у орудийных лафетов, чтобы накатывать ору-дие за колёса руками сбоку, не опасаясь отдавить ноги. На телегах для неспешного передвижения колёса ставили с отрицательным раз-валом, чтобы при потере нагеля, стопорящего колесо, оно не сразу соскакивало с оси. У арбы с высоким центром масс большие колёса также были наклонены к повозке: достигавшееся при этом увеличение колеи способствовало повышению устойчивости.

Положительный развал β > 0 выполняет следующие функции: 1. Обеспечивает вертикальное положение колеса независимо от

деформации деталей подвески, зазоров в подшипниках ступицы и втулках шкворней, что приводит к улучшению сцепления шин с доро-

29

гой и уменьшению одностороннего износа протектора. Ввиду кинема-тики подвески и податливости её элементов при статическом нагру-жении весом колёсной машины и при динамическом ходе во время движения, обусловленном профилем опорной поверхности, плоскости качения управляемых колёс стремятся к уменьшению развала (∆β < 0) и увеличению колеи (рис. 2.17).

2. Уменьшает радиус обкатки rf. При этом изменяется ширина колеи, что нежелательно.

3. При прямолинейном движении по ровной дороге разгружает внешний малый подшипник вследствие возникновения осевой силы, прижимающей ступицу к внутреннему подшипнику, который проще выполнить массивным и прочным, что увеличивает долговечность подшипникового узла. Однако при маневрировании и проезде неров-ностей динамические нагрузки нивелируют данный эффект.

4. Обеспечивает перпендикулярное положение колеса относи-тельно дорожного полотна с выпуклым поперечным профилем.

Примечания: 1. Угол развала регулируется наклоном оси цапфы. 2. Угол β составляет ±1...2°. 3. Разница βлев и βправ более 30′ приводит к уводу в сторону колеса с

большим β. При качении наклонённое колесо под действием собственной

силы тяжести стремится повернуть в сторону наклона. В результате упругой деформации шины в пятне контакта возникает дополнитель-ная боковая сила, действующая в ту же сторону, – т.н. тяга развала. Чем больше угол наклона колеса, тем больше тяга развала.

В последние годы наметилась тенденция к установке колёс с от-рицательным развалом в угоду лучшей устойчивости и управляемо-сти. Развал оказывает определяющее влияние на боковую реакцию колес RY, которая противодействует центробежным силам Fб и спо-собствует удержанию колёсной машины на криволинейной траекто-рии. Сцепление колеса с дорогой будет наилучшим при наибольшей площади пятна контакта, то есть при вертикальном положении колеса. Однако боковая реакция достигает максимума при небольших отрица-тельных углах развала, что обусловлено действием тяги развала. Этот эффект используется в автоспорте, чтобы сделать колёса более «цепкими» в повороте.

30

Чрезмерный отрицательный развал приводит к некоторым по-следствиям, нежелательным для дорожных машин:

1. Вызывает повышенный износ внутренней зоны протектора. 2. При прямолинейном движении уменьшается площадь пятна

контакта, вследствие чего снижается эффективность ускорения и торможения.

3. Снижается устойчивость прямолинейного движения, машина становится склонной к рысканию. В идеальной ситуации вызванные развалом боковые силы действуют на оба колеса оси и уравновеши-вают друг друга. Но едва одно из колёс теряет сцепление с дорогой, как тяга развала другого создаёт разворачивающий момент, застав-ляющий машину отклониться от прямолинейной траектории.

Чтобы обеспечить хорошую устойчивость, необходимо добиться, чтобы колеса сохраняли оптимальную ориентацию на всех режимах движения, но выполнить это непросто, поскольку возникающие при манёврах и ускорениях крен и дифферент кузова, сопровождающиеся смещением элементов подвески, приводят к изменению β. Эту задачу проще решить на спортивных автомобилях с подвеской, отличающей-ся высокой угловой жёсткостью и коротким ходом. Чем больше ход подвески, тем больше изменение β в движении. Конструкторам до-рожных машин при проектировании подвески приходится находить компромисс между комфортом и устойчивостью.

Рис. 2.17. Уменьшение β под действием веса машины

Рис. 2.18. Увеличение β при крене кузова: Δ1 – сдвиг крепления стойки;

Δ2 – сдвиг крепления рычага; Δ3 – сдвиг центра шаровой опоры; С – центр крена

Чтобы в повороте более загруженное внешнее колесо остава-лось в оптимальном положении, то есть с небольшим отрицательным

31

развалом, при крене кузова оно должно еще больше наклоняться к нему, что достигают оптимизацией геометрии направляющих элемен-тов подвески (рис. 2.18). Для уменьшения крена применяют стабили-заторы поперечной устойчивости.

2.5.3. Весовая стабилизация

Механизм весовой стабилизации заключается в следующем. При повороте относительно наклонённой оси цапфа описывает дугу в плос-кости, отклонённой от горизонтального положения, вследствие чего ко-лесо стремится опуститься ниже плоскости дороги, а так как это невоз-можно, происходит подъём передней части кузова. При выходе из по-ворота управляемые колёса стремятся вернуться в нейтральное поло-жение под действием веса машины. Весовая стабилизация не зависит от скорости движения и действует даже при повороте на месте.

При повороте цапфы (рис. 2.19) точка A стремится в точку E′, но твёрдая опорная поверхность не допускает этого, поэтому точка A оказывается в точке E. Кузов приподнимается, и его потенциальная энергия EP увеличивается пропорционально высоте h = KF.

Из ∆ABC: AB = rf; AC = rf·cosξ. Из свойств окружности следует: FC = AC·cosα.

Рис. 2.19. Весовая стабилизация

AF = AC – FC = rf·cosξ·(1 – cosα). Из ∆AFK: KF = AF·sinξ.

32

Потенциальная энергия EP равна работе стабилизирующего мо-мента Aст при повороте управляемых колёс на угол α:

RZ·h = Mстξ·α. После подстановки h получаем выражение для момента стаби-

лизации от поперечного наклона шкворня:

стξ1 cosαsin2ξ .

2 αZ fM R r −= ⋅ ⋅ ⋅

⋅

От развала колёс появляется вторая составляющая: стβ цsinβ sinα,ZM R= ⋅ ⋅ ⋅

где ℓц – длина цапфы – расстояние от центра колеса до оси шкворня, измеренное вдоль оси колеса.

Суммарный момент весовой стабилизации: ст стξ стβ.GМ М М= +

Углы поворота управляемых колёс αв ≠ αн, значит, и моменты от весовой стабилизации на правом и левом колёсах различны.

2.5.4. Радиус обкатки

Радиус обкатки rf – это расстояние от центра пятна контакта до точки пересечения оси поворота с поверхностью дороги. При его уменьшении происходит следующее:

1. Снижается сила ударов, передаваемых на рулевое колесо от неровностей дороги.

2. Облегчается поворот колёс на месте вследствие уменьшения момента сопротивления повороту (Mf = RZ·f·rf, где f – коэффициент со-противления качению).

3. При движении уменьшаются силы, нагружающие детали руле-вой трапеции. При этом радиус обкатки не оказывает влияния на лёг-кость рулевого управления. Действующие на управляемые колёса про-дольные силы создают разворачивающие моменты, но в случае равен-ства сил на разнобортных колёсах моменты оказываются равными и противоположно направленными, взаимно компенсируя друг друга.

При увеличении rf улучшается информативность рулевого управления. Возникающий вследствие проезда неровностей или не-равномерности тормозных усилий дисбаланс продольных сил пере-даётся на рулевое колесо. Данный эффект не должен быть чрезмер-ным, чтобы не снижать комфорт и безопасность вождения.

33

Радиус обкатки может быть и отрицательным, когда ось поворо-та лежит снаружи плоскости качения колеса (рис. 2.20). Дисбаланс тормозных сил или резкий рост силы сопротивления качению при проколе шины создаёт разворачивающий момент вокруг центра масс колёсной машины. При rf < 0 управляемые колёса поворачиваются в сторону, противоположную развороту, чем способствуют стабилиза-ции прямолинейного движения (рис. 2.21). Данный эффект использу-ется при отказе одного из контуров тормозной системы с двухконтур-ной диагональной схемой.

Рис. 2.20. Положительный и отрицательный радиус обкатки

Рис. 2.21. Стабилизация прямолинейного движения при rf < 0

2.5.5. Схождение

Положительное схождение γ > 0 выполняет следующее: 1. Компенсирует влияние продольных сил, действующих на ко-

лесо при движении. Фактическое схождение определяется упругой деформацией элементов рулевого управления и подвески, компенса-цией зазоров в шарнирах и ступичных подшипниках и зависит от при-вода. При заднем приводе во время движения, а также при торможе-нии сила инерции толкает шкворни вперёд, и колёса разворачиваются вокруг них под действием силы сопротивления качению в сторону расхождения (∆γ < 0). При переднем приводе, наоборот, сила тяги создаёт разворачивающий момент относительно шкворней, и колёса стремятся к увеличению положительного схождения (∆γ > 0), поэтому среди переднеприводных машин встречаются случаи нейтральной ре-гулировки схождения (γ = 0). При полном приводе ∆γ зависит от рас-

34

пределения крутящего момента по осям колёсной машины. Идеаль-ным решением является переменное схождение.

2. Компенсирует действие тяги развала (см. § 2.5.2) при прямоли-нейном движении, уменьшая пилообразный износ шин и расход топлива.

3. Позволяет выполнить условие чувствительности рулевого управления и выбрать начальную зону нелинейности зависимости RY(δ) эластичного колеса (при δ ≤ 3…7′).

4. Повышает устойчивость прямолинейного движения при наезде на неровность (рис. 2.22). Возросшая сила сопротивления поворачивает колесо в направлении уменьшения схождения. Через рулевой привод воздействие передаётся на второе колесо, схождение которого, наобо-рот, увеличивается. Если изначально γ > 0, сила сопротивления на пер-вом уменьшается, а на втором растёт, что противодействует возмуще-нию (рис. 2.22, а). Когда γ = 0, противодействующий эффект отсутствует, а при γ < 0 появляется дестабилизирующий момент, способствующий рысканию и постоянным подруливаниям (рис. 2.22, б), что недопустимо для дорожных машин, однако повышает чувствительность рулевого управления, что широко используется в автоспорте.

Рис. 2.22. Динамическая стабилизация вследствие схождения

Примечания: 1. Схождение регулируют изменением длины поперечной рулевой тяги. 2. Для дорожных машин γ ≈ 1…2 мм на диаметр колёса.

2.5.6. Продольный наклон шкворня

Положительный продольный наклон шкворня ζ > 0, когда его верх отклонён назад от вертикали, а ось поворота колеса пересекает

35

опорную поверхность впереди центра пятна контакта, выполняет сле-дующие функции:

1. Обеспечивает конструктивную скоростную стабилизацию при криволинейном движении (см. § 2.5.7).

2. При прямолинейном движении уравновешивает дестабилизи-рующие возмущения, носящие случайный колебательный характер, например, от неровностей дороги, дисбаланса колёс. Благодаря про-дольному наклону шкворня машина устойчиво движется по прямой даже с отпущенным рулевым колесом.

3. Устраняет опасность резкого изменения траектории и опроки-дывания колёсной машины под действием внезапной боковой силы вследствие порыва ветра или при движении поперёк склона (рис. 2.23). Благодаря положительному продольному наклону шкворня машина плавно поворачивает под ветер или под уклон даже с отпущенным ру-левым колесом.

4. Обеспечивает информативность рулевого управления бла-годаря реактивным силам, передающимся на рулевое колесо.

5. Оказывает влияние на весовую стабилизацию. Вершина дуги, которую описывает цапфа, смещается так, что цапфы обоих колёс в нейтральном положении оказываются на нисходящей части дуги. Таким образом, при повороте одна из них движется по дуге вверх, другая – вниз (рис. 2.24). В результате увеличивается загрузка одного из колёс и его весовая стабилизация. Этот эффект также используют для оптими-зации крена передней части кузова колёсной машины при повороте.

Примечания: 1. У грузовых колёсных машин ζ составляет 1...3,5°, у легковых – 2...6°.

Меньшие значения типичны для машин с большой нагрузкой на ось, чтобы чрез-мерно не увеличивать усилие на рулевом колесе.

2. При разнице ζлев и ζправ более 1° возникает увод в сторону колеса с мень-шим ζ. Это негативное явление иногда используют для компенсации дрейфа к обочине на профилированном дорожном полотне: правое колесо устанавливают с чуть более отрицательным развалом и немного более положительным продоль-ным наклоном шкворня.

В современных бесшкворневых подвесках ось поворота управ-ляемого колеса представляет собой виртуальную линию. В подвеске с двойными поперечными рычагами она проходит через центры верх-ней и нижних шаровых опор, в конструкции типа McPherson – через шаровую опору и верхний узел крепления амортизаторной стойки.

36

Рис. 2.23. Стабилизация боковой силы

Рис. 2.24. Совместное влияние продольного и поперечного

наклона шкворня на траекторию цапфы

При чрезмерном увеличении ζ затрудняется ввод машины в по-ворот, возрастают нагрузки на усилитель и детали рулевого механиз-ма, а также усилие на рулевом колесе, которое при выходе из поворо-та резко возвращается в нейтральное положение.

У легковых автомобилей Mercedes-Benz продольный наклон оси по-ворота лежит в пределах 10…12°. Таким образом, развал внешнего колеса в повороте становится более отрицательным, а внутреннего – более положительным, что благоприятно сказывается на устойчиво-сти при манёврах. Чтобы при этом не превысить допустимое усилие на рулевом колесе вследствие чрезмерного увеличения плеча стаби-лизации, ось поворота смещают в продольном направлении так, что-бы она проходила немного позади оси вращения колеса.

Перераспределение веса и дифферент кузова (рис. 2.25) суще-ственно влияют на продольный наклон шкворней, поэтому процедура его контроля предваряется проверкой уровня кузова.

Заметного влияния на износ шин продольный наклон шкворней не оказывает.

В середине XX века у большинства легковых автомобилей продольный наклон шкворня был отрицательным, чтобы уменьшить усилие на ру-левом колесе, так как усилитель в то время был редкостью. Скоростная стабилизация колёс достигалась благодаря применению диагональных шин, более подверженных деформации, у которых даже при отрица-тельном наклоне оси поворота продольный снос боковой реакции ока-зывался достаточным для создания стабилизирующего момента.

37

Рис. 2.25. Влияние дифферента на продольный наклон шкворня

2.5.7. Скоростная стабилизация

Механизм конструктивной скоростной стабилизации работает следующим образом. Благодаря плечу стабилизации e, которое созда-ётся за счёт смещения шкворня вперёд (рис. 2.26, а) или его положи-тельного продольного наклона (рис. 2.26, б), боковые реакции RY созда-ют стабилизирующие моменты относительно осей поворота управляе-мых колёс (рис. 2.26, в) вследствие расположения пятна контакта шины с дорогой позади точки пересечения оси шкворня с плоскостью дороги.

Рис. 2.26. Конструктивная скоростная стабилизация

38

Боковая реакция на колесе по модулю равна приходящейся на него центробежной силе:

2

У δ ,ρY

mvR K= ⋅ =

где ρ – кривизна траектории; KУ – коэффициент увода; δ – угол увода.

В мае 1896 г. французский изобретатель Артур Кребс запатентовал автомобиль с электромагнитной коробкой передач и но-вым способом стабилизации управляемых колёс за счёт продольного наклона их осей поворота. Компания «Panhard et Levassor» приобрела патент и с его применением в период 1898–1902 гг. построила 500 авто-мобилей под маркой «Clement-Panhard».

В 1897–1916 гг. Кребс возглавлял компанию «Panhard et Levassor» в качестве генерального менеджера. Он первым заменил рычаг руле-вым колесом на автомобиле для участия в гонке Париж–Амстердам (7–13 июля 1898 г.). Фернан Шаррон стал на нём победителем.

Иногда продольный наклон шкворня (рис. 2.26, б) сочетают с не-большим смещением от центра вращения колеса в ту или иную сто-рону (рис. 2.26, а). В общем случае момент конструктивной скоростной стабилизации будет следующим:

ст д( sinζ ),v YМ R r e= ⋅ ⋅ + где rд – динамический радиус колеса; e – эксцентриситет шкворня от-носительно центра колеса.

Механизм шинной скоростной стабилизации заключается в сле-дующем. Из теории бокового увода известно, что при повороте под действием боковых сил происходит упругая деформация шины, сопро-вождающаяся перераспределением удельного давления и касатель-ных напряжений. Пятно контакта, при прямолинейном движении имев-шее форму эллипса, приобретает бобовидную форму (рис. 2.27, а). Элементарные боковые реакции распределяются так, что линия дейст-вия результирующей боковой реакции RY = KУ·δ не совпадает с цен-тром пятна контакта, а смещена назад на расстояние ℓк/6, где ℓк – длина пятна контакта (рис. 2.27, б).

Момент шинной скоростной стабилизации: У кк

стδ .

6 6Y KRМ δ

⋅ ⋅⋅= =

39

Рис. 2.27. Шинная скоростная стабилизация

Боковая реакция RY увеличивается с ростом скорости v и с уве-личением угла увода δ. На малых скоростях влияние скоростной ста-билизации становится несущественным.

Уменьшение коэффициента сцепления замедляет рост и уменьшает амплитуду RY. При полном боковом скольжении эпюра RY принимает форму прямоугольника, и ℓк = 0.

Суммарный стабилизирующий момент:

ст ст ст стδ.G vМ М М МΣ = + + Выбор оптимальных углов установки управляемых колёс явля-

ется комплексной задачей, не имеющей однозначного аналитического решения. Она заключается в совместном кинематическом расчёте ру-левого управления и подвески для различных режимов движения, ко-торый выполняется методом последовательных приближений. Ре-зультаты теоретического расчёта проверяются в ходе доводочных ис-пытаний, при которых регистрируются такие параметры, как угол по-ворота рулевого колеса, момент на рулевом валу, критическая ско-рость при выполнении различных манёвров, температура протектора шин в разных зонах, а также оцениваются субъективные ощущения водителей-испытателей.

40

2.6. Виды обратной связи в усилителях рулевого управления

Большинство конструкций рулевого управления имеют внутрен-нюю отрицательную обратную связь, обеспечивающую слежение управляемого объекта (управляемых колёс или шарнирного сочлене-ния) за положением управляющего органа (рулевого колеса). Отри-цательная обратная связь означает, что колёсная машина «сле-дует» за управляемыми колёсами, при этом рулевое управление стремится вернуть их в исходное нейтральное положение, уменьшив возникшее рассогласование по углу поворота управляемых колёс или углу складывания между звеньями. Тип обратной связи зависит от энергоносителя, применяемого в рулевом управлении.

2.6.1. Механическая обратная связь

Применяется в механическом рулевом управлении без усилите-ля или с ГУР (рис. 2.28).

Рис. 2.28. ГУР с механической обратной связью: 1 – рулевое колесо; 2 – рулевой механизм; 3 – сошка; 4 – распределитель;

5 – золотник; 6, 9 – продольная тяга; 7 – поперечная тяга рулевой трапеции; 8 – управляемые колёса; 10 – силовой гидроцилиндр; 11 – насос; 12 – бак; х1 – задающее воздействие, перемещающее золотник распределителя;

х2 – сигнал обратной связи, пропорциональный углу поворота управляемых колёс; x = x1 – x2 – рассогласование

Кинематическое следящее действие, обеспечивающее поворот управляемых колёс 8 в соответствии с поворотом рулевого колеса 1,

41

осуществляется через тягу 6. Система находится в статическом рав-новесии, если рассогласование x = x1 – x2 меньше или равно ∆.

2.6.2. Гидравлическая обратная связь

Применяется в ГОРУ, когда механическую связь затруднительно провести от управляемых колёс или шарнирного сочленения к рас-пределителю (рис. 2.29).

Рис. 2.29. ГОРУ с гидравлической обратной связью: 1 – насос; 2 – сливной клапан; 3 – рулевое колесо; 4 – распределитель; 5 – мотор-дозатор; 6 – силовой гидроцилиндр; 7 – обратный клапан;

8 – бак; Δ = θ – φМД – рассогласование

Рулевое колесо 3 соединено с золотником распределителя 4 по-средством упругого или жёсткого вала. Ротор мотор-дозатора 5 механи-чески жёстко связан с корпусом распределителя 4 и упругой связью (или жёсткой связью с зазором) – с роторным золотником. Таким образом, при вращении рулевого колеса золотник может поворачиваться на неко-торый угол, в то время как ротор мотор-дозатора и корпус распредели-теля остаются неподвижными. ГОРУ имеет четыре режима работы.

1. Режим прямолинейного движения. Распределитель нахо-дится в среднем положении. Все гидролинии (напорная 1, а также a, b к мотор-дозатору и c, d к гидроцилиндру) заперты.

2. Режим поворота. Золотник распределителя 4 при повороте рулевого колеса 3 смещается, например, вправо. Образуется гидрав-лическая цепь: насос 1 – мотор-дозатор 5 – гидроцилиндр 6 – слив.

42

Ротор мотор-дозатора вращается пропорционально ходу штока гид-роцилиндра (φМД ~ y), при этом корпус распределителя поворачивает-ся в сторону уменьшения рассогласования ∆ (отрицательная обрат-ная связь). Перемещение штока гидроцилиндра прекратится, когда ∆ = 0, а распределитель перейдёт в среднее положение.

3. Режим стабилизации. Стабилизирующий момент, дейст-вующий на повёрнутые управляемые колёса, создаёт усилие на штоке гидроцилиндра, под действием которого поршень перемещается, соз-давая в гидравлической цепи поток жидкости. Мотор-дозатор, враща-ясь синхронно с ходом штока, одновременно поворачивает роторный золотник с рулевым колесом и корпус распределителя. Из-за наличия упругой связи (или зазора) между ротором мотор-дозатора и золотни-ком, рассогласование ∆ будет иметь место до тех пор, пока действует стабилизирующий момент.

4. Режим отказа питающего насоса. Водитель, с бóльшим усилием поворачивая рулевое колесо, вращает ротор мотор-дозатора, который становится насос-дозатором и подаёт жидкость в соответствующую полость гидроцилиндра, слив из которого осущест-вляется через обратный клапан 7.

К мотор-дозатору предъявляются следующие требования: 1) высокий объёмный КПД; 2) высокий удельный рабочий объём (то есть рабочий объём на

единицу веса и габаритов); 3) равномерность подачи; 4) низкий момент. Ввиду отсутствия механической связи между рулевым и управ-

ляемыми колёсами ГОРУ применяют на колёсных машинах, макси-мальная скорость которых не превышает 50 км/ч, например, на ком-байнах, тракторах, строительно-дорожных машинах, в том числе со-членённых.

2.6.3. Электрическая обратная связь

Применяется в рулевом управлении с ЭГУР или ЭМУР. Элек-трическая обратная связь (рис. 2.30) позволяет расширить возможно-сти рулевого управления по обеспечению оптимального режима пово-рота колёсной машины. При этом рулевое колесо механически связа-

43

но с рулевым приводом. Водитель, вращая рулевое колесо 1, создаёт момент на рулевом валу, который фиксируется датчиком 2. Усилитель включается в работу. На основании сигналов от датчиков 2, 3, 4, из-меряющих эксплуатационные параметры, электронный блок управле-ния 5 подаёт управляющий сигнал на исполнительное устройство, пе-ремещающее золотник электрогидрораспределителя 6, который из-меняет эффективность усилителя. В комплекс 4 могут входить датчи-ки оборотов колёс и коленчатого вала двигателя, углов поворота управляемых колёс, бокового ускорения и крена.

Рис. 2.30. Рулевое управление с электрической обратной связью: 1 – рулевое колесо; 2 – датчик момента на рулевом валу;

3 – датчик оборотов рулевого колеса; 4 – комплекс датчиков; 5 – электронный блок управления; 6 – электрогидрораспределитель;

7 – насос; 8 – гидроцилиндр

2.7. Схемы компоновки гидроусилителя руля

При компоновке рулевого управления с ГУР руководствуются следующими общими правилами:

1. Отдельная установка силового гидроцилиндра снижает нагру-женность рулевого управления.

2. Длинные шланги и трубопроводы склонны к автоколебаниям ввиду их невысокой жёсткости.

3. Раздельные узлы легче унифицировать и компоновать. Различают четыре основные схемы компоновки ГУР (рис. 2.31): а) т.н. «гидроруль», когда распределитель, гидроцилиндр и ру-

левой механизм в одном блоке (ЗиЛ, КамАЗ); б) гидроцилиндр автономно (Урал-375); в) рулевой механизм автономно (БелАЗ, КрАЗ, МАЗ);

44

г) гидроцилиндр, рулевой механизм и распределитель автоном-но (ГАЗ-13,-66).

Схема (а) компактна, имеет минимальное количество шлангов, трубопроводов и соединений, поэтому мало склонна к автоколебани-ям. Характеризуется невысокой трудоёмкостью монтажа. Однако весь привод от сошки до управляемых колёс нагружен полным усилием со-противления повороту, что приводит к увеличению размеров и массы элементов рулевого управления. Тем не менее, гидроруль получил широкое распространение на грузовых автомобилях и автобусах.

Рис. 2.31. Схемы компоновки ГУР: а) гидроруль; б) гидроцилиндр автономно; в) рулевой механизм автономно; г) все элементы автономно; 1 – рулевое колесо; 2 – распределитель ГУР;

3 – рулевой механизм; 4 – гидроцилиндр

Схема (б) позволяет устанавливать цилиндр независимо от ру-левого механизма в месте, наиболее удобном с точки зрения компо-новки. Рулевой механизм и распределитель мало нагружены, так как удары со стороны дороги воспринимаются цилиндром.

В схеме (в) рулевой механизм располагается вблизи от блока распределитель–цилиндр, так как сошка должна быть связана с рас-пределителем. Длина гидролиний мала, и, как следствие, схема обла-дает невысокой склонностью к автоколебаниям.

Схема (г) является наиболее гибкой с точки зрения компоновки и унификации элементов. Однако из-за повышенной склонности к авто-колебаниям вследствие увеличения числа и длины трубопроводов применяется сравнительно редко.

Контрольные вопросы по теме 2 1. Перечислите способы поворота колёсной машины. 2. Какие варианты имеет поворот плоскостей качения колёс? Где

применяется каждый из этих вариантов? 3. Расскажите правила составления формулы рулевого управления.

45

4. Приведите классификацию рулевых управлений по энергоносите-лю и компоновке.

5. В чём различие между гидравлическим, электрогидравлическим и электромеханическим усилителями руля?

6. Приведите классификацию рулевых механизмов по виду движе-ния на выходе и паре зацепления.

7. Перечислите и поясните правила проектирования рулевого привода. 8. Для чего применяется разрезная рулевая трапеция? 9. Какие виды увода вы знаете? 10. Поясните физический смысл коэффициента бокового скольжения. 11. Что такое стабилизация? 12. Перечислите углы установки управляемых колёс. 13. Каковы функции поперечного и продольного наклона шкворня? 14. Для чего предназначен развал управляемых колёс? 15. В чём заключается весовая стабилизация? 16. Что такое радиус обкатки? На что влияет его изменение? 17. Какие функции выполняет схождение? 18. Как работает механизм скоростной стабилизации? 19. Какие виды обратной связи в усилителях рулевого управления

вы знаете? 20. Какие требования предъявляются к мотор-дозатору в гидрообъ-

ёмном рулевом управлении? 21. Какие применяются схемы компоновки гидроусилителя руля и

в чём заключаются их особенности?

46

3. ТРАНСМИССИЯ

3.1. Устойчивость работы ДВС

Зависимость крутящего момента MД от частоты вращения ко-ленчатого вала nД называется скоростной характеристикой дви-гателя (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Скоростные характеристики ДВС: а) карбюраторного; б) дизельного; z – положение дроссельной заслонки карбюратора;

y – положение педали подачи топлива; h – положение рейки ТНВД

Падение скоростной характеристики при увеличении nД связано с неполным заполнением цилиндров. Внешняя и частичные характе-ристики дизеля имеют малый наклон к оси nД, в связи с чем устойчи-вость его работы при постоянной нагрузке (Мf = const) недостаточна. Ввиду повышенной тепловой и силовой нагруженности максимальные обороты ограничивают до уровня 1900…2600 об/мин с помощью все-режимного центробежного регулятора (ВЦР).

Область на графиках, ограниченная с одной стороны характери-стиками холостого хода, а с другой – характеристиками при макси-мальном отклонении органа регулирования, является полем возмож-ных режимов работы ДВС. Рабочим режимом является точка Р пере-сечения скоростной характеристики при заданном положении орга-на регулирования с характеристикой нагрузки, являющейся суммой сил сопротивления движению и аэродинамического сопротивления, приведённых к коленчатому валу.

47

Сила сопротивления движению: 2

сопр a aψ ,F G K v= ⋅ + ⋅

где ψ – коэффициент сопротивления движению; G – вес автомобиля; Kа – коэффициент аэродинамического сопротивления.

Скорость колёсной машины:

Дк кa к

ТР

π π ,30 30

nr rv nU

= = ⋅

где rк – радиус ведущих колёс; nк, nД – частота вращения ведущих ко-лёс и коленчатого вала соответственно; UТР – передаточное число трансмиссии.

Момент сопротивления движению, приведённый к коленчатому валу:

2Дк к

aTP TP TP

πψ ,30 ηf

nr rM G KU U

⎡ ⎤⎛ ⎞⎢ ⎥= ⋅ + ⋅ ⋅⎜ ⎟ ⋅⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

где ηТР – КПД трансмиссии. Таким образом, положение рабочей точки Р определяется пара-

метрами, изменяющимися в процессе движения: отклонением регули-рующего органа ДВС, величиной нагрузки и передаточным числом трансмиссии (передачей коробки передач).

Устойчивость поддержания рабочего режима определяется зна-ком угла Θ между касательными к скоростной и нагрузочной характе-ристикам ДВС в рабочей точке Р:

Д

Д Д

Θ 0.f dMdMdn dn

= − >

Если Θ > 0, режим работы устойчив: при увеличении nД или от-клонении нагрузки избыток Mf тормозит ДВС, возвращая его к прежней точке Р. При Θ < 0 избыток Mf стремится разогнать ДВС, увеличивая отклонение точки Р. Чем больше Θ, тем меньше колебания nД при различных отклонениях нагрузки и оборотов, что особенно актуально для работы дизеля при постоянном положении рейки ТНВД, когда да-же при небольшом отклонении Mf изменение nД может быть весьма значительным.

48

3.2. Классификация трансмиссий

Тип трансмиссии колёсной машины определяется типом пере-дачи, которая в ней используется (рис. 3.2). По характеру изменения UТР различают передачи ступенчатые, изменяющие UТР дискретно или имеющие постоянное UТР, и бесступенчатые, плавно изме-няющие UТР. Соответственно, трансмиссии бывают ступенчатые, бесступенчатые, а также комбинированные, совмещающие оба типа передач.

Рис. 3.2. Классификация трансмиссий

По энергоносителю различают передачи: механические, пере-дающие механическую энергию от ДВС к движителю без её преобра-зования, а также гидравлические (ГП) и электрические (ЭП), пре-образующие механическую энергию ДВС соответственно в энергию жидкости или электроэнергию, а затем обратно.

49

Механическая трансмиссия состоит только из механических аг-регатов, основными из которых являются фрикционное сцепление и вальная зубчатая коробка передач (КП). Тип сцепления и тип КП взаимосвязаны.

По способу управления вальная зубчатая КП бывает: 1) механической (МКП) – с ручным приводом КП и ножным при-

водом сцепления; 2) полуроботизированной – с сервоприводом КП, при этом при-

меняется комбинированное сцепление, которое управляется води-телем только при трогании, а при переключении передач срабатывает автоматически. Часто КП такого типа называют полуавтоматической, что не совсем корректно;

3) роботизированной (РКП) – с сервоприводом КП и автоматизи-рованным сцеплением;

4) преселективной (ПСКП) – РКП с двойным сцеплением сухого или мокрого типа (англ. preselect – предварительно выбирать).

На заре автомобилестроения для передачи момента от ДВС к колёсам использовались гибкие (ременные и цепные) передачи, ко-торые впоследствии нашли применение в вариаторе – бесступенча-той механической трасмиссии.

Особенности ременной передачи позволяли обойтись без сцепления. Первые автомобили с зубчатыми КП оборудовались ленточным сцеп-лением: металлическая лента охватывала барабан или прижималась к его внутренней поверхности. В 1889 г. Готлиб Вильгельм Даймлер и Вильгельм Майбах изобрели конусное сцепление. Конструкция оказа-лась недолговечной и требовала трансмиссионного тормоза. В 1904 г. Альбер Де Дион и Жорж Бутон применили сухое дисковое сцепление с графитовыми фрикционными дисками, которые также быстро изна-шивались. В 1905 г. профессор Ливерпульского университета Генри Селби Хеле-Шоу запатентовал мокрое многодисковое сцепление. На-дёжный материал для фрикционных дисков – асбест, пропитанный смолой и армированный латунной проволокой, – был подобран бри-танским промышленником Гербертом Фрудом в 1908 г. Диафрагмен-ное сцепление было разработано General Motors в 1936 г. Первым ав-томобилем в Европе, на который его начали устанавливать серийно, стал «Opel Rekord» (1965 г.), а в СССР – «Москвич-412» (1967 г.).

На ранних стадиях развития применялись МКП без синхрониза-торов, требовавшие двойного выжима сцепления. Конусный синхро-

50

низатор впервые появился в 1952 г. Современные колёсные машины, как правило, оснащаются синхронизированными МКП, хотя отдель-ные передачи (например, заднего хода) часто выполняются несин-хронизированными.

Сцепление, управляемое водителем вручную, имеет либо при-вод прямого действия (механический или гидравлический), либо сер-вопривод (механический – пружинный или кулачковый, пневматиче-ский, электромагнитный, вакуумный, гидравлический), в котором уси-лие водителя используется только для управления устройством вы-ключения. Электромагнитное сцепление бывает двух типов: порош-ковое (с ферронаполнителем) и на базе магнетореологической жидкости. Единственное сцепление, включающееся автоматически благодаря особенностям конструкции, – центробежное.

Привод МКП может быть механическим (штоковым при располо-жении рычага на крышке коробки передач, а также дистанционным – в виде тяг, валика, тросов Боудена) или пневматическим (широко приме-няется на большегрузных колёсных машинах).

Первые конструкции РКП имели отдельный гидравлический ци-линдр на конце каждого включающего штока, что позволяло осущест-влять переключение, минуя промежуточные передачи. Однако значи-тельное уменьшение времени переключения позволило отказаться от раздельного управления, в том числе при понижении передач. Совре-менные РКП имеют секвентальный, то есть последовательный (лат. sequensum – последовательность) способ переключения ступеней.

Органом управления КП может являться рычаг/джойстик (наполь-ный, подрулевой или размещённый на панели приборов), кнопки на па-нели приборов (в случае с АКП), подрулевые рычажки/«лепестки» (при секвентальном режиме РКП). Сцеплением с механическим или гидрав-лическим приводом водитель обычно управляет через педаль, а при электромагнитном приводе – через кнопку или подрулевой рычажок.

Автоматизированные сцепления ранних конструкций имели ва-куумную систему управления от впускного коллектора ДВС. Совре-менные автоматизированные сцепления, РКП и ПСКП оснащаются электрогидравлическим (ЭГП), электропневматическим (ЭПП) или электромеханическим (ЭМП) приводом с управлением по сигналам от датчика оборотов коленчатого вала и селектора РКП.

51

Изменение передаточного числа в планетарной коробке передач (ПКП) производится за счёт блокирования отдельных вращающихся эле-ментов ленточными тормозами и пакетами фрикционов. Имели место случаи самостоятельного использования ПКП (например, на «Ford T»), но более широкое применение она получила в составе комбинированных трансмиссий, а также на гусеничных машинах, особенно на танках.

Передача называется гидродинамической (ГДП), если в ней используется скоростной напор жидкости, или гидрообъёмной (ГОП), когда используется статический напор жидкости.

Гидромеханическая трансмиссия (ГМТ) состоит из ГДП (гид-ромуфты, гидротрансформатора, на тяжёлых машинах – комплексной гидропередачи) и механической передачи. Гидродинамический агрегат автоматически обеспечивает плавное изменение крутящего момента и частоты вращения ведущих колёс в зависимости от сопротивления движению, а также выполняет функции сцепления. Первая полуав-томатическая трансмиссия, разработанная фирмой Chrysler в 1930-х годах, включала гидромуфту (позднее – гидротрансформатор), механическую КП, служившую для выбора диапазона (Low, High, Reverse), сцепление, которое использовалось только при переключе-нии диапазона, и автоматически включавшуюся повышающую переда-чу (т.н. «овердрайв»). Первая автоматическая коробка передач (АКП) была разработана General Motors и впервые появилась в 1940 г. на автомобилях Oldsmobile под маркой «Hydra-Matic». Она состояла из гидромуфты и четырёхступенчатой ПКП с гидравлической системой управления, учитывавшей такие факторы, как скорость автомобиля и положение дроссельной заслонки. Современные АКП включают гидро-трансформатор и ПКП.

Гидрообъёмная трансмиссия (ГОТ) состоит из гидронасоса с приводом от ДВС и одного или нескольких гидромоторов, соединённых с ведущими колёсами, а также ряда гидравлических и механических элементов, обеспечивающих работу ГОТ и передачу крутящего момен-та от ДВС к ведущим колёсам. Гидрообъёмно-механическая транс-миссия (ГОМТ), кроме ГОП, имеет также зубчатые механизмы, выпол-няющие роли редукторов и трансформаторов (дополнительных КП).

Электрическая трансмиссия (ЭТ) состоит из генератора, преобразующего механическую энергию ДВС в электрическую, и тяго-

52

вых электродвигателей, преобразующих электроэнергию во враща-тельное движение ведущих колёс. Электромеханическая транс-миссия (ЭМТ), помимо ЭП, включает также ступенчатые или плане-тарные редукторы.

Принцип действия вариатора основан на передаче крутящего момента трением через промежуточное тело (ремень, ролик, шарик, цепь), которое можно переводить в любую точку ведущего и ведомого колёс с переменным радиусом, изменяя UТР.

3.3. Автоматизация сцепления

Движение в напряжённых условиях городского транспортного по-тока сопровождается частыми троганиями с места, разгонами, замед-лениями и остановками. Как следствие, частота пользования сцепле-нием на 100 км пробега превышает 1 тыс., а для маршрутных автобу-сов достигает 2…3 тыс. Повышенные нагрузки со стороны сцепления приводят к быстрой утомляемости водителя и прекращению контроля с его стороны за темпом включения сцепления, что влечёт за собой рост динамических нагрузок на детали трансмиссии и ходовой части, ухуд-шение показателей динамичности, снижение комфорта пассажиров, а также повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций. Из-вестны два пути решения данной проблемы:

1. Совершенствование муфты сцепления и её привода (умень-шение усилия и хода педали, повышение надёжности, применение усилителей и многодисковых сцеплений).

2. Автоматизация сцепления. Муфта сцепления имеет три состояния – включённое, выклю-

ченное и работу в режиме буксования, каждое из которых выполняет свои функции (рис. 3.3). При полном включении сцепления происходит механическое замыкание коленчатого вала и первичного вала КП, что используется для передачи крутящего момента от ДВС к трансмиссии (см. рис. 3.3, #1), а также для торможения двигателем (#2). Кратко-временное выключение (разъединение ведущего и ведомого дисков) применяется при переключении передач (#3), торможении накатом (#4), движении с малой скоростью, которое невозможно с включённой муфтой ввиду неустойчивой работы ДВС на низких оборотах (#5), а также во избежание его останова при увеличении нагрузки, непра-

53

вильных действиях водителя и остановке колёсной машины (#6). Бук-сование фрикционных дисков сцепления обеспечивает плавное тро-гание с места (#7) и желаемый темп разгона (#8) в условиях неравен-ства частот вращения коленчатого вала и первичного вала КП, а так-же защиту силового привода от крутильных колебаний (#9) и запуск ДВС путём буксирования машины (#10).

Рис. 3.3. Функции сцепления

Модель трансмиссии с муфтой сцепления (рис. 3.4) представля-ет собой систему из двух вращающихся механических масс, имеющих неравные угловые скорости и связанных между собой крутящим мо-ментом МСЦ, передаваемым муфтой сцепления, который для подсис-темы ДВС является нагружающим, а для подсистемы трансмиссии – приводным. Подсистема трансмиссии имитирует все массы АТС, кро-ме ДВС, приведённые к коленчатому валу последнего (Jпр).

Рис. 3.4. Модель силового привода с муфтой сцепления

54

Система уравнений нагрузки ДВС и привода трансмиссии вы-глядит следующим образом:

ДД Д СЦ

СЦпр СЦ

ω;

ω.f

dJ M M

dtd

J M Mdt

⎧= −⎪⎪

⎨⎪ = −⎪⎩

Момент на коленчатом валу ДВС является функцией от его час-тоты вращения и положения регулирующего органа: МД = f(nД,z). В ча-стном случае при поддержании медленного темпа включения момент сцепления является функцией от времени: МСЦ = f(t).

В период разгона с буксованием сцепления можно считать Мf = = const, так как оно имеет место при сравнительно низких скоростях. Решение системы уравнений возможно, если заданы закон изменения МСЦ(t) и параметр работы ДВС z(t).

В конкретных случаях закон изменения частоты вращения ко-ленчатого вала есть функция от времени nД = f(t), являющаяся резуль-татом решения системы уравнений. Считая для качественного иссле-дования процесса разгона эту функцию известной и изменяя время t, можно связать МСЦ и nД и, следовательно, нанести зависимость МСЦ(nД) на график МД(nД).

Рассмотрим два случая разгона с буксованием сцепления (рис. 3.5): 1) повышение МСЦ опережает открытие дроссельной заслонки

(кривая МСЦ1); 2) открытие дроссельной заслонки опережает повышение МСЦ

(кривая МСЦ2). В первом случае в результате быстрого роста МСЦ пробуксовка

завершается при низкой nД в относительно короткий период буксова-ния tб. Дальнейший разгон происходит без буксования с постепенным синхронным увеличением nД и nК.

Во втором случае ДВС быстро набирает обороты, и разгон с пробуксовкой начинается и происходит при большом МД. Пробуксовка занимает относительно большой период времени tб, однако время разгона tр до заданной скорости меньше, чем в первом случае.

Таким образом, первый способ обеспечивает меньшую работу бук-сования и относительно низкую динамичность колёсной машины, вто- рой – даёт бóльшую работу буксования, но и бóльшую динамичность.

55

Работа буксования: б

б СЦ Д СЦ0

(ω ω ) ,t

L М dt= ⋅ − ⋅∫

где tб – время буксования.

В советские времена проводился эксперимент по автоматизации сцеп-ления на «Москвиче-412», который показал следующее:

Сцепление Серийное Автоматизированное Среднее время включения, с 2,45 1,43 Работа буксования, кгс*м:

– max – min – средняя

8300 500 3873

1480 885 1288

При разработке автоматизированной системы управления сцеп-лением (АСУС) предъявляются следующие требования:

1. Обеспечить работу сцепления без отдельного органа управ-ления.

2. Обеспечить полное выключение и оптимальный темп включе-ния муфты сцепления при переключении передач.

3. Обеспечить изменение МСЦ с заданным водителем темпом, оптимальное с точки зрения компромисса между высокой динамично-стью и малой работой буксования Lб.

4. Исключить буксование сцепления после его полного включе-ния с обеспечением запаса сцепления β (для легковых машин β = = 1,2…1,75, для грузовых машин и автобусов β = 1,5…2,2).

5. Выполнять функции сцепления # 2, 4, 5, 6, 10 (рис. 3.3). 6. Иметь возможность установки с серийным сцеплением. Коэффициент запаса сцепления:

пр СЦ ср

Дmax

μβ ,

P i rМ⋅ ⋅ ⋅

=

где Рпр – суммарное усилие пружин; μ – коэффициент трения (принят равным 0,25); iСЦ – число трущихся поверхностей; rср – средний радиус фрикционной накладки; MДmax – максимальный крутящий момент ДВС.

Предпринимались попытки создать АСУС с различными закона-ми изменения МСЦ при включении сцепления:

– от времени с корректировкой по углу открытия дроссельной заслонки. Не удовлетворяет требованиям по оптимизации разгона в различных условиях эксплуатации;

56

– от угла открытия дроссельной заслонки. Более приемлем, но также обладает рядом недостатков. Не позволяет реализовать дина-мические свойства. При внезапном повышении нагрузки ДВС глохнет. Некоторые режимы работы на буксующей муфте сцепления недоста-точно устойчивы ввиду малого угла Θ, особенно при широко открытой дроссельной заслонке (при трогании и разгоне под нагрузкой, напри-мер, на подъёме), так как при этом МСЦ > МД на всем диапазоне nД;

– от частоты вращения коленчатого вала nД (рис. 3.6). В наи-большей мере отвечает всем требованиям к АСУС, обеспечивая при высокой динамичности достаточно низкую работу буксования.

Рис. 3.5. Совмещение зависимостей МСЦ(nД) и МД(nД)

Рис. 3.6. Закон управления сцеплением по nД

Закон управления сцеплением по nД имеет ряд характерных то-чек, которые перечислены в табл. 3.1. При переключении передач или при переходе в режим торможения накатом возможно принудительное выключение муфты сцепления, которое должно производиться за 0,15…0,25 с.

Таблица 3.1 Точка Характеристика

0 Начало роста MСЦ

1 МСЦ = Мf. Начало движения машины. Движение с малой скоростью возможно при буксовании сцепления в районе точки 1.

2 МД > МСЦ. ДВС и машина разгоняются.

3 МД < МСЦ. ДВС снижает обороты, машина продолжает разгон. Именно здесь рекомендуется задерживать педаль сцепления при трогании.

4 МСЦ = 0,85…0,9·МСЦmax.

5

МСЦ = МСЦmax. Муфта сцепления блокируется с заложенным в её конструкцию запасом β. Переход к МСЦmax происходит в течение 1,0…1,5 с, чтобы компенси-ровать рассогласование между угловыми скоростями ведущего и ведомого дисков сцепления.

6-7 По этой линии производится разблокирование муфты сцепления при частоте вращения nД, близкой к границе устойчивости ДВС (показана штрихпунктирной линией на рис. 3.6), чтобы избежать пробуксовки сцепления и детонации ДВС.

57

Центробежное сцепление обеспечивает квадратичную зависи-мость МСЦ(nД), а электромагнитное – степенную, зависящую от элек-трической схемы и конструкции муфты. Внедрение микропроцессор-ных технологий позволило в части автоматизации сцепления реали-зовать алгоритмы практически любой сложности относительно про-стыми, освоенными в серийном производстве средствами.

Принцип действия АСУС заключается в следующем. В зависи-мости от угла открытия дроссельной заслонки блок управления оп-ределяет целевую частоту коленчатого вала nД. Следящая система стремится свести к нулю рассогласование между текущей и целевой nД. Наличие датчиков оборотов на входном и выходном валах КП позволяет определить включённую передачу и обеспечить опти-мальный темп включения сцепления. Команда на полную блокиров-ку сцепления подаётся, когда его буксование, определяемое датчи-ками оборотов коленчатого вала ДВС и входного вала КП, становит-ся равным нулю.

3.4. Автоматизация коробки передач

3.4.1. Управление ступенчатой трансмиссией

В соответствии с тягово-динамическим расчётом колёсная ма-шина может двигаться с одной скоростью на 2…3 передачах. Соот-ветственно, возникает проблема выбора водителем правильной пе-редачи, которая решается путём применения АКП и комбинированных трансмиссий.

Современная система управления АКП использует следующее сенсорное обеспечение:

1) регулятор скоростного воздействия – определяет обороты вы-ходного вала АКП;

2) регулятор силового воздействия – определяет положение пе-дали подачи топлива;

3) датчик оборотов входного вала ПКП; 4) многофункциональный датчик положения селектора; 5) датчик температуры рабочей жидкости; 6) датчик секвентального режима (если таковой имеется); 7) датчик режима «kick-down» (датчик хода педали);

58

8) датчики АСУД – частоты вращения коленчатого вала и поло-жения дроссельной заслонки (по необходимости АСУД уменьшает крутящий момент при переключении передач);

9) датчики СДС – частоты вращения колёс и угла поворота руле-вого колеса (по ним распознаются различные условия движения – по-ворот, спуск, пробуксовка ведущих колёс).

Изменение скорости движения осуществляется с помощью двух педалей – управления подачей топлива и тормоза.

Выбор режимов перехода с одной передачи на другую с точки зрения ДВС исходит из требований обеспечения высокой динамично-сти и экономичности колёсной машины. В современных системах ав-томатического управления трансмиссией (САУТ) передачи переклю-чаются в зависимости от скорости движения v и положения педали подачи топлива z. Чтобы исключить цикличность (работу в осцилли-рующем режиме), скорость v1 при переключении вверх должна быть больше скорости v2 при переключении вниз.

Схема и устройство гидравлической САУТ с двухступенчатой ПКП представлены на рис. 3.7. Давление в системе создаётся жидко-стным (шестерённым) насосом 1.

Регулятор силового воздействия 2 (рис. 3.7, б) меняет давление масла в зависимости от z. При увеличении нажатия на педаль пода-чи топлива 3 кулачок 4 сжимает пружину 16 регулятора 2, сила упру-гости которой уравновешивается силой давления масла рz, дейст-вующей на золотник 17. Таким образом, при увеличении z давление рz также возрастает.

Регулятор скоростного воздействия 5 (рис. 3.7, в) приводится от вторичного вала ПКП 15 и меняет давление масла в зависимости от скорости движения v. В корпусе регулятора расположен золотник 18. Сила давления масла, действующая на золотник, уравновешивает центробежную силу груза 19, закреплённого на нём. При повышении оборотов и центробежной силы груза увеличивается входное дроссе-лирующее отверстие и уменьшается дросселирующее отверстие, со-единенное со сливом. Давление возрастает, и устанавливается новое равновесное состояние между силой давления масла, действующей на золотник 18, и центробежной силой груза 19. Таким образом, дав-ление рv на выходе регулятора 5 пропорционально частоте его вра-щения (или скорости движения v).

59

Рис. 3.7. Гидравлическая САУТ с двухступенчатой ПКП: а – принципиальная схема; б, в – устройство регуляторов; 1 – насос;

2 – регулятор силового воздействия; 3 – педаль подачи топлива; 4 – кулачок; 5 – регулятор скоростного воздействия; 6 – переключатель передач; 7, 17, 18 – золотник; 8 – цилиндр муфты; 9 – бустер тормоза; 10 – бак;

11 – солнечная шестерня; 12 – сателлит; 13 – эпицикл; 14 – водило; 15 – вторичный вал ПКП; 16 – пружина; 19 – центробежный груз

От регуляторов 2 и 5 масло под давлением поступает к переклю-чателю передач 6, который соединяет цилиндр муфты 8 или бустер 9 (вспомогательное устройство для увеличения силы и скорости дейст-вия основного механизма, англ. booster от boost – повышать давление, напряжение) ленточного тормоза с напорной магистралью или со сли-вом в бак 10, обеспечивая включение первой или второй передачи.

Когда золотник 7 переключателя 6 находится в крайнем правом положении, на него действуют две силы: первая создаётся давлением рv от регулятора скоростного воздействия 5, которое воздействует на торцевую поверхность крайнего правого пояска золотника, а вторая – давлением рz от регулятора силового воздействия 2, которое действу-ет на торцевые поверхности двух левых поясков золотника.

60

Рассмотрим работу системы при разгоне и z = const. 1. Крайнее правое положение золотника 7 переключателя 6.

Включена первая передача. Масло под давлением pН поступает к бустеру 9, цилиндр 8 соединён со сливом. Солнечная шестерня 11 обкатывает сателлиты 12 относительно неподвижного эпицикла 13, и водило 14, соединённое с выходным валом 15, получает замедлен-ное вращение.

2. С увеличением v возрастает давление рv на выходе регулято-ра 5. При скорости v1 сила, действующая на золотник 7 справа, пре-вышает силу, действующую на него слева, в результате чего он сме-щается в крайнее левое положение, обеспечивая включение второй передачи. Бустер 9 соединяется со сливом, а высокое давление pН подаётся в цилиндр муфты 8. Солнечная шестерня 11 жёстко соеди-няется с эпициклом 13, ПКП блокируется и вращается как одно целое.

После переключения на вторую передачу и перемещения золот-ника 7 в крайнее левое положение давление рz действует только на торцевую поверхность крайнего левого пояска золотника площадью Sл, которая меньше площади Sп торцевой поверхности крайнего пра-вого пояска. Поэтому при заданном z обратное переключение со вто-рой передачи на первую производится при скорости v2, меньшей, чем v1. Этим достигается отсутствие цикличности.

Данная схема показательна с точки зрения взаимодействия ме-ханики и гидравлики (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Функциональная схема САУТ с двухступенчатой ПКП

61

3.4.2. Управление бесступенчатой трансмиссией

В простейшей системе управления бесступенчатой трансмисси-ей каждому положению z педали подачи топлива соответствует опре-делённый режим работы ДВС. Для получения максимальных ускоре-ний и скоростей движения ДВС должен работать в режиме макси-мальной мощности NДmax, которому соответствует угловая скорость коленчатого вала ωД, при движении с меньшими ускорениями и скоро-стями – на режимах, соответствующих для заданной NД минимально-му удельному расходу топлива ge.min. Эти режимы можно найти графи-чески по экстремумам кривых ge, построенных для нескольких посто-янных значений мощности NД (рис. 3.9). Линия MN называется харак-теристикой минимального расхода топлива, по которой бессту-пенчатая трансмиссия должна обеспечить работу ДВС.

Рис. 3.9. Характеристика минимального расхода топлива

Пусть в исходном состоянии ДВС работает в режиме A на часто-те ωДA при z = z1 = const. Предположим, что момент сопротивления на

62

ведущих колёсах Мfк возрос. ВЦР перемещает рейку ТНВД в сторону увеличения подачи топлива, что соответствует смещению по регуля-торной характеристике из режима A в режим B при практически неиз-менной ωД. ДВС переходит в новый режим, не соответствующий ми-нимальному расходу топлива ge.min. Для сохранения режима работы необходимо при новом значении Мfк обеспечить прежнее значение момента сопротивления Мfд, приведённого к ДВС, который определя-ется следующим образом:

ТРд к

С

,ηf f

UM M=

где UТР – передаточное число трансмиссии; ηС – силовой КПД транс-миссии.

Таким образом, необходимо уменьшить UТР во столько раз, во сколько увеличился Мfк.

Системы управления, которые при постоянных Мfд и ωД поддер-живают мощность ДВС NД = Мfд·ωД неизменной, относят к классу «N». В таких системах UТР изменяется в зависимости от Мfк при ωД = const. Со-ответственно, угловая скорость ведущих колес ωК также зависит от Мfк:

К Д ТР Кω ω η ,U= ⋅ ⋅

где ηК – кинематический КПД трансмиссии. Изменение UТР при ωД = const приводит к изменению ωК и скоро-

сти v при z = const. Чтобы скорость v сохранялась неизменной, ис-пользуют системы управления класса «v».

Структурная схема систем автоматического управления бессту-пенчатой трансмиссией приведена на рис. 3.10. ДВС 1 вращает ротор управляемого насоса 2, гидравлически связанного с неуправляемым гидромотором 3, ротор которого приводит ведущие колёса 4. ДВС ос-нащён ВЦР 5, управляемым от педали подачи топлива 6. Система со-держит датчики оборотов коленчатого вала 7 и положения рейки топ-ливного насоса 8, сигналы которых поступают на вход операционного усилителя (ОУ) 9.

Величины входных резисторов ОУ выбраны такими, что при на-хождении рабочей точки на характеристике MN выходной сигнал ОУ 9 равен нулю. Если в процессе движения рабочая точка уходит с кривой mn вследствие изменения Mf, сигнал на выходе датчика 7 оборотов коленчатого вала остаётся практически неизменным, а сигнал на вы-

63

ходе датчика 8 положения рейки ТНВД изменяется, так как ВЦР пере-мещает рейку. Нарушается баланс входных сигналов ОУ, и на его вы-ходе появляется электрический сигнал, поступающий на вход электро-гидравлического усилителя (ЭГУ) 10, выходной шток которого связан с органом управления насосом 2. Изменение рабочего объёма насоса приводит к изменению UТР, возвращая систему в исходный устано-вившийся режим.

Рис. 3.10. Система автоматического управления бесступенчатой трансмиссией: 1 – ДВС; 2 – насос; 3 – гидромотор; 4 – ведущие колёса;

5 – всережимный центробежный регулятор (ВЦР); 6 – педаль подачи топлива; 7 – датчик оборотов коленчатого вала; 8 – датчик положения рейки ТНВД;

9 – операционный усилитель (ОУ); 10 – электрогидравлический усилитель (ЭГУ); 11, 12 – датчики оборотов колёс; 13 – электронный сумматор;

14 – электромеханический усилитель (ЭМУ); 15 – механический сумматор

Система класса «v», помимо перечисленных элементов, содер-жит также датчики оборотов ведущих колёс 11 и 12, соединенные со входами сумматора 13. С выхода сумматора 13 электрический сигнал подаётся на вход электромеханического усилителя (ЭМУ) 14. Механи-ческий сумматор 15 складывает сигналы с педали 6 и выходного што-ка ЭМУ 14, задавая настройку ВЦР 5.

При изменении Mf ВЦР 5 осуществляет перемещение рейки ТНВД в соответствующую сторону, а ЭГУ 10 изменяет рабочий объём

64

насоса 2. Рабочая точка возвращается в исходное установившееся положение «A», однако UТР изменилось. Соответственно, изменяются скорость v, а вместей с ней – сигналы с датчиков 11 и 12. Выходной сигнал сумматора 13, пропорциональный v, поступает на ЭМУ 14, ко-торый изменяет настройку ВЦР 5 при постоянном z. Рабочая точка перемещается из положения «A» в режим «C», соответствующий уг-ловой скорости коленчатого вала ωДC, что вызывает восстановление прежнего значения v, соответствующего заданному положению z пе-дали подачи топлива.

Контрольные вопросы по теме 3

1. Что такое скоростная характеристика ДВС? 2. Как определяется рабочий режим ДВС? 3. Какое условие должно выполняться для устойчивой работы ДВС? 4. Приведите классификацию трансмиссий. 5. Какие типы вальной зубчатой коробки передач вы знаете? 6. Что такое секвентальный режим переключения передач? 7. Перечислите функции сцепления. 8. Какие требования предъявляются к автоматизированной системе управления сцеплением?

9. Какие законы изменения момента сцепления при его включении вам известны? Назовите наиболее оптимальный из них.

10. Перечислите, какие датчики применяются в современной авто-матической коробке передач.

11. Расскажите, как работают регуляторы силового и скоростного воздействия.

12. В каком режиме должны поддерживать работу ДВС системы ав-томатического управления бесступенчатой трансмиссией?

13. Чем различаются устройство и принцип действия систем управ-ления бесступенчатой трансмиссией класса «N» и «v»?

65

4. ТОРМОЗНАЯ СИСТЕМА

4.1. Назначение и состав тормозной системы

Тормозная система – это совокупность устройств, предназна-ченных для снижения скорости движения колёсной машины вплоть до остановки и её удержания в неподвижном состоянии во время стоян-ки. Тормозная система состоит из органов управления (не менее двух), тормозного привода и тормозных механизмов (на всех колёсах).

Тормозной привод служит для передачи энергии от источника к тормозным механизмам и управления ею в процессе торможения. Тормозные механизмы предназначены для создания и регулирова-ния искусственного сопротивления движению колёсной машины, кото-рое складывается с естественным сопротивлением, включающим следующие составляющие:

1) сопротивление качению эластичных шин; 2) силу тяжести на продольных уклонах; 3) силы трения; 4) аэродинамическое сопротивление; 5) силы инерции. Основными задачами тормозной системы являются: 1) обеспечение предписанной максимальной эффективности

торможения; 2) обеспечение пропорциональности замедления усилию, созда-

ваемому водителем на органе управления; 3) недопущение потери устойчивости движения колёсной маши-

ны вследствие блокировки колёс.

4.2. Классификация тормозных систем

Сводная классификация тормозных систем по типу управления, энергоносителю тормозного привода, типу разжимного устройства и типу тормозного механизма приведена на рис. 4.1.

По типу энергоносителя различают механический, гидравличе-ский, пневматический и электропневматический, а также комбиниро-ванные тормозные приводы – пневмогидравлический, электропневма-тический и электрогидравлический.

66

Рис. 4.1. Классификация тормозных систем: МТП – механический привод; ГТП – гидравлический привод; ВУТ – вакуумный усилитель тормозов;

ПУТ – пневматический усилитель тормозов; ГУТ – гидравлический усилитель тормозов; НАП – насосно-аккумуляторный привод;

ПТП – пневматический привод; ПГТП – пневмогидравлический привод; ЭГТП – электрогидравлический привод; ЭМТП – электромеханический привод

Первые автомобили оснащались механическим тормозным при-водом (МТП) прямого действия вплоть до изобретения гидравлическо-го тормозного привода (ГТП), сразу получившего массовое распро-странение. В настоящее время МТП сохранился только в стояночной системе (СТС).

В ГТП нашли применение и до сих пор используются все три ти-па управления:

– прямого действия (преимущественно на микролитражных ав-томобилях);

– непрямого действия – с вакуумным усилителем (на легковых автомобилях, а также лёгких и средних грузовиках). Конструкции пневматического и гидравлического усилителя тормозов оказались нерациональными и не нашли широкого применения;

– насосно-аккумуляторный привод (НАП) с серводействием (на машинах особо большой грузоподъёмности типа «БелАЗ»).

На грузовых автопоездах по ряду причин целесообразнее приме-нять пневматический (ПТП) или электропневматический (ЭПТП) тормоз-ной привод. На прицепных звеньях особо большой грузоподъёмности используют также пневмогидравлический тормозной привод (ПГТП).

67

На заре автомобилестроения тормоза ставили только на задней оси, так как считалось, что при торможении передних колёс автомобиль станет неустойчивым. Затем выяснилось, что передние тормоза за-метно эффективнее вследствие перераспределения веса. Передние и задние тормоза приводились по-разному: одни – от нож-ной педали, другие – от рычага. В 1919 г. на «Hispano-Suiza» впервые появился механический привод тормозов обеих осей от единой педа-ли. На ранних автомобилях механический привод был в виде тяг, позднее – тросовым. В 1910 г. благодаря фирмам Knorr-Bremse (Германия) и WABCO (США) с железнодорожного транспорта на грузовые автомобили пе-рекочевал пневматический тормозной привод. В 1921 г. на «Duesenberg Model A» был применён гидравлический тормозной привод с рабочей жидкостью на основе растительного масла, запатентованный в США Малкольмом Локхидом. С 1928 г. на автомобиле американской марки «Pierce-Arrow» начали впервые се-рийно устанавливать вакуумный усилитель тормозов.

В качестве исполнительных устройств в современных тормозных системах колёсных машин используют колодочные барабанные или дисковые тормозные механизмы. Как правило, исполнительные меха-низмы рабочей системы размещаются непосредственно в ступицах колёс, но иногда их выносят на другой конец ведущей полуоси или на колёсную стойку-опору. Различают также трансмиссионные барабан-ные исполнительные механизмы стояночной системы, размещённые в корпусе коробки передач или раздаточной коробки.

В 1902 г. Луи Рено запатентовал барабанный тормозной механизм, а английский изобретатель Фредерик Уильям Ланчестер – дисковый. Но если первый быстро нашёл всеобщее применение, то второму при-шлось ждать признания ещё полвека – до середины 1950-х гг. В том же 1902 г. Рэнсом Олдс применил на гоночном «Oldsmobile» ленточ-ные тормоза на задних колёсах с приводом от педали. Через пару лет такую конструкцию переняли большинство американских автомобиле-строителей. Ленточные тормоза были эффективнее, чем колодочные, но ненадёжны и недолговечны, и от них отказались.

Разжимное устройство преобразует энергию тормозного приво-да в приводное усилие тормозного механизма. Вместе с МТП и ПТП применяют кулачковые, а с НАП – клиновые разжимные устройства. ГТП прямого и непрямого действия создаёт усилие через гидроцилин-дры, а ЭМТП – посредством электромоторов.

Вспомогательная тормозная система (ВТС) может иметь меха-нический (в том числе с вакуумным усилителем), пневматический или

68

электромагнитный привод с управлением от рычага или подпедальной кнопки. В качестве исполнительного устройства вспомогательной сис-темы может выступать:

– моторный тормоз, включающий заслонку, перекрывающую вы-пускной коллектор ДВС, и клапан, уменьшающий подачу топлива к ДВС и переводящий его в тормозной режим;

– гидродинамический тормоз-замедлитель (т.н. ретардер, англ. retarder), представляющий собой гидромуфту, полость которой при торможении заполняется жидкостью, создающей сопротивление на лопатках ротора;

– электродинамический (или индукционный) ретардер, принцип действия которого основан на возникновении вихревых токов Фуко в роторах, вращающихся в переменном магнитном поле, создаваемом статором-индуктором. Токи Фуко приводят к возникновению лапласо-вых сил в направлении, противоположном вращению ротора;

– модернизированный газораспределительный механизм, пере-водящий ДВС в компрессорный режим (т.н. декомпрессионный тормоз Джакобсона, амер. Jake brake).

По месту размещения различают ретардеры первичные (перед коробкой передач) и вторичные (за коробкой передач).

На современных колёсных машинах с высокоэкологичными сило-выми установками и активных прицепных звеньях с тяговым электропри-водом искусственное сопротивление движению создают также за счёт электродинамического торможения, осуществляемого путём перевода тяговых электродвигателей в генераторный режим. Всё большее распро-странение находят рекуперативные системы, запасающие электрическую или кинетическую энергию, вырабатываемую при торможении.

4.3. Схемы двухконтурных тормозных приводов

С целью повышения надёжности рабочей тормозной системы (РТС) её привод должен предусматривать два независимых контура. При выходе одного контура из строя другой должен обеспечить тор-можение с эффективностью, предписанной Правилом №13 ЕЭК ООН для запасной системы (ЗТС). Раздельное питание контуров и незави-симое управление ими достигается соответственно:

– в ГТП – применением двухсекционного наполнительного бачка и двухсекционного главного тормозного цилиндра;

69

– в ПТП – с помощью защитных клапанов и двухсекционного тормозного крана.

Возможные компоновочные схемы двухконтурных тормозных приводов изображены на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Схемы двухконтурных тормозных приводов: а) разделённая по осям; б) диагональная; в) с дублированием передних тормозов;

г) с дублированием передних тормозов и раздельным управлением задних; д) с полным дублированием по осям

При разделении контуров по осям (рис. 4.2, а) в случае выхода из строя переднего контура значительно снижается тормозная эф-фективность вследствие перераспределения веса. При диагональ-ной схеме (рис. 4.2, б) в случае отказа одного из контуров эффек-тивность сохраняется, но резко снижается устойчивость колёсной машины при торможении, особенно, в повороте. Для компенсации данного эффекта используют отрицательный радиус обкатки управ-ляемых колёс (см. § 2.5.4).

Для устранения недостатков приведённых схем применяют дуб-лирование контуров. При наличии переднего дублирующего контура (рис. 4.2, в) выход основного из строя приводит к отказу задних тор-мозных механизмов, повышая вероятность заноса. При дублировании передних тормозов и раздельном управлении задних (рис. 4.2, г) дос-тигается равная эффективность торможения обеих осей, однако в случае отказа одного из контуров сохраняется неустойчивость при торможении. Схема с полным дублированием по осям (рис. 4.2, д) об-ладает равной эффективностью обоих контуров и устойчивостью при торможении, однако является конструктивно самой сложной и дорого-стоящей, а также требует применения дисковых тормозных механиз-мов на всех колёсах.

70

4.4. Гидравлический тормозной привод (ГТП)

Ниже приведены принципиальные схемы различных гидравли-ческих тормозных приводов, а также рассмотрен их принцип действия на следующих режимах: торможение, растормаживание и отказ одно-го из контуров.

4.4.1. ГТП прямого действия

1. Торможение. При нажатии на педаль тормоза 1 (рис. 4.3) пе-ремещается поршень П2 главного тормозного цилиндра 2. Под дав-лением жидкости в полости второго контура поршень П1 также пере-мещается, создавая давление в полости первого контура. Площадь поршня П2 ввиду наличия штока меньше, чем площадь поршня П1, соответственно, давление в заднем контуре pГ2 будет меньше, чем в переднем pГ1, что соответствует требованиям к распределению тор-мозных сил. Жидкость от главного цилиндра 2 по трубопроводам по-ступает в колёсные тормозные цилиндры 5. Автоматический регуля-тор тормозных сил 4 уменьшает давление в заднем контуре в зависи-мости от загрузки колёсной машины.

Рис. 4.3. Гидравлический тормозной привод прямого действия: 1 – педаль тормоза; 2 – главный тормозной цилиндр;

3 – наполнительный бачок; 4 – автоматический регулятор тормозных сил; 5 – колёсный тормозной цилиндр; 6 – сигнализатор аварийного снижения уровня

тормозной жидкости; П1, П2 – поршень главного тормозного цилиндра

2. Растормаживание. При отпускании педали тормоза 1 жид-кость под действием разжимных пружин тормозных механизмов воз-вращается из колёсных цилиндров 5 в главный тормозной цилиндр 2, перемещая поршни П1 и П2 в исходное положение.

71

3. Отказ заднего контура. При утечке жидкости из второго контура шток поршня П2 упирается в седло поршня П1 и перемещает его. При снижении уровня жидкости в наполнительном бачке 3 вклю-чается красный сигнализатор 6 на панели приборов.

В таблице 4.1 приведены сравнительные характеристики испол-нительных механизмов гидравлического тормозного привода.

Таблица 4.1

Тип тормозных механизмов Барабанные Дисковые Ход тормозных колодок zi, мм 1,5…4,5 0,1…0,35 Соотношение диаметров цилиндров:

dK1/dГ 1…1,5 2,1…2,4 dK2/dГ 0,9…1,2 1,0…1,2 dK1/dK2 0,8…1,7 1,7…2,4

Примечание: dK1 – диаметр поршня передних колёсных цилиндров, dK2 – задних колёсных цилиндров, dГ – главного тормозного цилиндра.

4.4.2. ГТП непрямого действия

На большинстве легковых автомобилей применяется ГТП с ва-куумным усилителем, размещённым перед главным тормозным ци-линдром и действующим одновременно на оба контура (рис. 4.4, а). Иногда, как на автомобилях УАЗ, вакуумный усилитель выполняется двухсекционным с последовательным расположением секций. На гру-зовых автомобилях, оснащённых ГТП непрямого действия (например, ГАЗ-3307, «Газель Next»), каждый контур имеет отдельный усили-тель с индивидуальными вакуумным баллоном 10 и запорным клапа-ном 8 (рис. 4.4, б).

1. Исходное состояние. Во впускном коллекторе ДВС 7 при его работе создаётся разрежение (–p), которое через обратный клапан 8 передаётся в полость В и далее через клапан управления K1 в по-лость А вакуумного усилителя 6.

2. Торможение. При нажатии на педаль тормоза 1 усилие пере-даётся на клапан управления K1. Поршень клапана K1 перемещается, при этом в начале хода он перекрывает вакуумный клапан, разобщая полости А и В усилителя 6, а затем открывает атмосферный клапан, сообщая полость А с воздушным фильтром 9, через который в неё по-ступает воздух под атмосферным давлением p0. Под действием раз-ности давлений в полостях А и В диафрагма перемещает выходной

72

шток усилителя 6. Тормозная жидкость под суммарным давлением pУ от вакуумного усилителя 6 и главного цилиндра 2 поступает в колёс-ные цилиндры 5.

Рис. 4.4. Гидравлический тормозной привод с вакуумным усилителем: 1 – педаль тормоза; 2 – главный тормозной цилиндр; 3 – наполнительный

бачок; 4 – автоматический регулятор тормозных сил; 5 – колёсный тормозной цилиндр; 6 – вакуумный усилитель; 7 – впускной коллектор ДВС;

8 – запорный клапан; 9 – воздушный фильтр; 10 – вакуумный баллон; 11 – сигнализатор аварийного снижения уровня тормозной жидкости;

12 – сигнализатор аварийного снижения уровня вакуума; K1 – клапан управления

3. Следящее действие (пропорциональность давления усилию на педали тормоза) достигается за счёт клапана управления K1. Воз-дух через воздушный фильтр 9 будет поступать в полость А усилите-

73

ля 6 до тех пор, пока сила, действующая от давления воздуха на диа-фрагму клапана управления K1, не уравновесит силу от давления жидкости на его поршень. В этом случае и атмосферный, и вакуумный клапан будут закрыты.

4. Растормаживание. При снятии усилия с педали тормоза 1 клапан управления K1 под действием воздуха и пружины возвращает-ся в исходное положение, при этом атмосферный клапан закрывает-ся, а вакуумный открывается, возвращая систему в исходное состоя-ние и подготавливая её к новому торможению.

Уровень вакуума в каждом баллоне 10 контролируется вакуум-ным реле, которое при его снижении до критического значения вклю-чает красный сигнализатор 12 на панели приборов.

На современных легковых автомобилях, оснащаемых АКП и ди-зельным ДВС, для создания необходимого разрежения устанавлива-ют вакуумный лопастный электронасос.

4.4.3. Насосно-аккумуляторный привод

1. Исходное состояние. Давление в контурах создаётся с по-мощью гидроаккумуляторов 11 (рис. 4.5), заряжаемых насосом 8. Ав-томатический регулятор давления 10 релейного типа служит для раз-грузки насоса 8 при полной зарядке гидроаккумуляторов 11. Предо-хранительный клапан 12 сливает избыток жидкости обратно в бак 9, защищая систему от перегрузки по давлению. Управление секциями С1 и С2 тормозного крана 7 осуществляется с помощью дистанцион-ного раздельного гидропривода от главного тормозного цилиндра 2.

2. Торможение. При нажатии на педаль тормоза 1 открываются клапаны секций С1 и С2 тормозного крана 7, и жидкость от гидроакку-муляторов 11 поступает в колёсные тормозные цилиндры 5 под дав-лением pА.

3. Следящее действие. Чем больше усилие на педали 1, тем больше открываются клапаны тормозного крана 7, и тем выше стано-вится давление в колёсных цилиндрах 5.

4. Растормаживание. При снятии усилия с педали тормоза 1 секции С1 и С2 тормозного крана 7 возвращаются в исходное поло-жение, направляя рабочую жидкость из колёсных цилиндров 5 на слив в бак 9.

74

Рис. 4.5. Насосно-аккумуляторный тормозной привод с серводействием: 1 – педаль тормоза; 2 – главный тормозной цилиндр; 3 – наполнительный

бачок; 4 – автоматический регулятор тормозных сил; 5 – колёсный тормозной цилиндр; 6 – сигнализатор аварийного снижения уровня тормозной жидкости;

7 – тормозной кран с дистанционным управлением; 8 – насос; 9 – бак; 10 – регулятор давления; 11 – гидроаккумулятор;

12 – предохранительный клапан; С1, С2 – секция тормозного крана

5. Отказ одного из контуров. Если утечка тормозной жидко-сти происходит на участке от регулятора давления 10 до колёсного цилиндра 5, другой контур полностью сохраняет работоспособность и обеспечивает запасное торможение.

6. Отказ насосной станции. В этом случае гидроаккумулято-ры 11 должны обеспечить не менее восьми полных торможений, пре-жде чем эффективность снизится до уровня запасной системы.

4.5. Пневматический тормозной привод (ПТП)

ГОСТ 4364-81 допускает следующие соединения ПТП автопоез-да (в скобках приведено общепринятое международное обозначение):

– однопроводной (1P); – двухпроводной (2P); – комбинированный (3P). На рисунке 4.6 приведены их функциональные схемы.

75

Рис. 4.6. Схемы пневматических тормозных приводов автопоезда. Тип ПТП: 1P – однопроводной, 2P – двухпроводной, 3P – комбинированный. Магистрали: СМ – соединительная, ПМ – питающая, УМ – управляющая. Элементы ТП: РТС – тормозной кран; СТС – кран управления стояночной системой; ТК – тормозные камеры; ПА – пружинные энергоаккумуляторы;

КУТП – клапан управления тормозами прицепа; ВР – воздухораспределитель. Сигналы: (pК) – давление в системе от компрессора; (+p) – повышение давления;

(–p) – снижение давления; О – инвертирование сигнала

4.5.1. Однопроводной ПТП

При однопроводной схеме (см. рис. 4.6) прицеп соединяется с тягачом одной соединительной магистралью (СМ), по которой осуще-ствляется как питание ресиверов прицепа, так и управление его тор-мозными камерами по принципу обратного действия, то есть сниже-нием давления в СМ с помощью клапана управления тормозами при-цепа (КУТП), который управляется одной из секций тормозного крана. Таким образом, происходит двойное инвертирование управляющего

76

сигнала: сначала в КУТП, затем в воздухораспределителе (ВР). На время торможения СМ отключается от ресивера тягача.

При двухпроводной схеме прицеп соединяется с тягачом двумя магистралями – питающей (ПМ) и управляющей (УМ). Питание реси-веров прицепа осуществляется через ПМ по мере необходимости, управление – по принципу прямого действия, то есть путём повыше-ния давления в УМ с помощью КУТП, управляемого любой из секций тормозного крана.

Комбинированный ПТП тягача позволяет подключать прицеп-ное звено, оборудованное тормозной системой как по однопроводной, так и по двухпроводной схеме. В настоящее время необходимость в оснащении тягачей комбинированным ПТП отпала, так как на совре-менных прицепах и полуприцепах однопроводной ПТП практически не применяется ввиду следующих важных преимуществ, которыми обла-дает двухпроводная схема:

1) сжатый воздух постоянно заряжает ресиверы прицепа че-рез ПМ. В однопроводном ПТП во время торможения зарядки реси-веров прицепа не происходит, поэтому при нескольких последова-тельных торможениях с малым интервалом значительно снижается давление в тормозном приводе прицепа, что может привести к скла-дыванию автопоезда;

2) лучшее быстродействие при затормаживании, так как наполне-ние УМ сжатым воздухом по законам пневматики происходит в 1,5… 2,5 раза быстрее, чем опорожнение СМ в однопроводной системе;

3) одинаковое давление в ресиверах тягача и прицепа, благода-ря чему повышаются эффективность торможения и устойчивость ав-топоезда. При однопроводной схеме давление в ресиверах прицепа должно быть ниже (0,48 МПа), чем давление в ресиверах тягача (0,65…0,80 МПа), иначе растормаживание колёс прицепа будет про-исходить с большим запаздыванием, а при падении давления в реси-верах прицепа может произойти самопроизвольное торможение.

4.5.2. Двухпроводной ПТП

На рисунке 4.7 приведена принципиальная схема типичного двухпроводного ПТП современного автопоезда, соответствующего требованиям Правила №13 ЕЭК ООН.

77

ПТП отличается от ГТП значительной конструктивной и структурной сложностью. Элементы ПТП, назначение которых приведено в табл. 4.2, по функциональному признаку можно подразделить на четыре группы:

1. Для подготовки и хранения сжатого воздуха. 2. Для регулирования давления воздуха а) управляемые (краны); б) автоматические (клапаны).

3. Исполнительные механизмы. 4. Для контроля и сигнализации.

Таблица 4.2 Гр. Поз. Код Назначение 1 1 ФВ Очистка воздуха от твёрдых частиц. 2 К Сжатие воздуха и подача его в тормозной привод. 4 ВМО Очистка воздуха от масла и влаги. 5 РР Конденсация и сбор влаги.

6 ПЗ Снижение температуры замерзания конденсата путём впрыскивания специальной жидкости.

9 Р Хранение и охлаждение сжатого воздуха, сглаживание пульсаций его подачи от компрессора и неравномерности потребления.

6,9 КСК Удаление конденсата из ПТП. 20,21 ГС Соединение магистралей ПТП тягача и прицепа. 2.1 12 ТКР Управление подачей воздуха от ресиверов к ИМ РТС. 13 КУСТ То же к ИМ СТС. 19 РКР Перекрытие магистрали ПТП. 25 КОУП Ручной кран прямого действия для отдельного управления РТС прицепа. 26 КРВ Управление ВТС. 31 КРОТ Отключение питающей магистрали на входе в прицеп. 33 КРП Освобождение ИМ СТС прицепа. 2.2 3 РД Поддержание давления в заданных пределах. 7 КР Ограничение давления при отказе регулятора давления. 8 КЗ Разделение контуров и отсоединение повреждённого контура от исправных. 15 КУТП Управление воздухораспределителем тягача.

16 АРТС Снижение тормозных усилий на колёсах пропорционально загрузке с целью предотвращения их блокирования.

17 КБР Ускоренный выпуск воздуха из ИМ. 22 ДМК Независимое управление группой ИМ от двух контуров (органов управления). 32 ВР Управление подачей воздуха от ресивера прицепа к ИМ. 34 УК Повышение быстродействия ТП. 29,35 ЭМВ Активизация ВТС прицепа. 36 АРС Подача воздуха в контур СТС из другого контура.3 14 ТК Являются ИМ РТС. 18 ПЭА Являются ИМ СТС. 27,28 МТ Являются ИМ ВТС тягача.4 10 М Измерение давления в контуре ПТП. 11 СДП Световая и звуковая сигнализация водителю о неисправностях в ПТП. 23 ВСС Включение стоп-сигналов. 24 СС Стоп-сигналы. 30 СВ Сигнализация водителю об активизации ВТС.

Примечания. 1. В колонке «Поз.» указана позиция на рис. 4.7. 2. В колонке «Код» приводится примерное обозначение элемента на принципиаль-

ной схеме.

78

Рис.

4.7

. Принципиальная схем

а двухпроводного

ПТП

авт

опоезда:

а) т

ягач

; б) прицеп;

1

– магистральны

й фильт

р; 2

– ком

прессор;

3

– регулятор

давления;

4 –

влагомаслоот

делитель с автом

атическим

клапаном

для

сброса конденсата;

5

– ресивер регенерации,

или

конденсационный баллон

(объём

ом ≈

5 л

);

79

Рис.

4.7

(продолж

ение

): 6

– предохранитель от

зам

ерзания с краном

для

слива

конденсат

а (КСК)

; 7 –

редукционны

й

предохранительный клапан

; 8 –

двойной

защ

итны

й клапан

; 9 –

ресивер

, или

воздушны

й баллон

, с КСК;

10

– маном

етр;

11

– сигнализатор

критического

снижения

давления;

12

– тормозной кран

РТС

с нож

ным

(педальным

) управлением

; 13

– ручной кран

СТС

; 14

– тормозная камера;

15

– клапан

управления тормозам

и прицепа

(КУТ

П);

16 –

авт

омат

ический

регулятор

тормозны

х сил с управлением

от

пневм

атических упругих элем

ентов

(ПУЭ

) подвески;

17

– клапан

быст

рого

раст

ормаж

ивания

; 18

– пружинны

й энергоаккумулят

ор; 1

9 – разобщ

ительный кран

; 20,

21

– соединит

ельные головки ПМ

и УМ

соответст

венно;

22

– двухмагистральны

й клапан

; 23

– вы

ключатель ст

оп-сигналов;

24

– ст

оп-сигналы

; 25

– кран от

дельного

управления РТ

С прицепа

; 26

– кран

ВТС

; 27

– пневмоцилиндр

управления заслонкой вы

пускного

коллектора ДВС

; 28

– пневмоцилиндр

перекры

тия

подачи топлива

; 29

– реле

включения ЭМК ВТ

С прицепа

; 30

– сигнализатор

включения ВТ

С; 3

1 – от

сечный кран

; 32

– воздухораспределит

ель;

33

– кран

растормаж

ивания

прицепа

; 34

– ускорит

ельный клапан

; 35

– электромагнитны

й клапан

(ЭМК)

ВТС

прицепа

; 36

– клапан аварийного

растормаж

ивания

СТС

80

Ниже описывается принцип действия ПТП двухзвенного автопо-езда, представленного на рис. 4.7. Данный автопоезд состоит из двух-осного тягача и двухосного прицепа с разнесёнными осями. ПТП тяга-ча имеет четыре питающих контура, два контура РТС, контур СТС, выполняющий также функции ЗТС, контур ВТС, контуры аварийного растормаживания СТС и отдельного управления РТС прицепа. Каж-дая ось прицепа оснащена собственными контурами РТС и СТС. Ис-полнительными механизмами (ИМ) РТС являются тормозные камеры прямого действия, СТС – пружинные энергоаккумуляторы обратного действия, ВТС – моторный тормоз.

1. Исходное состояние. Во время стоянки кран СТС 13 и краны растормаживания прицепа 33 включены, а отсечный кран 31 закрыт. Дав-ление во всех контурах тормозного привода равно атмосферному. Пру-жинные энергоаккумуляторы 18, имеющие обратный принцип действия, активированы. Перед запуском ДВС необходимо открыть разобщитель-ные краны 19, если они были закрыты перед стоянкой (см. ниже п. 12).

2. Зарядка ресиверов. Блок подготовки воздуха (БПВ) состоит из элементов 1...7. При запуске ДВС включается компрессор 2, кото-рый через магистральный фильтр 1 всасывает атмосферный воздух и сжимает его до давления, автоматически задаваемого регулятором давления 3. Сжатый воздух проходит через влагомаслоотделитель 4 с автоматическим клапаном для удаления конденсата, образуемого в ресивере регенерации 5, предохранитель от замерзания 6 и редукци-онный клапан 7. В зимнее время предохранитель от замерзания 6 ус-танавливают в рабочее положение, и сжатый воздух насыщается па-рами этилового спирта, что существенно снижает температуру замер-зания конденсата. Далее сжатый воздух через двойные защитные клапаны 8, разделяющие тормозной привод тягача на четыре незави-симых контура, поступает в ресиверы 9. Для контроля за давлением служат манометры 10 и релейные сигнализаторы 11, включающиеся при снижении давления в контуре ниже установленного уровня.

Сжатый воздух от ресиверов I и II подаётся на входы секций С1 и С2 тормозного крана 12, которые управляют соответственно перед-ним и задним контурами РТС тягача. От ресивера III воздух поступает на входы крана СТС тягача 13 и крана отдельного управления РТС прицепа 25, на вход клапана управления тормозами прицепа (КУТП)

81

15, а также через разобщительный кран 19 в соединительную головку 20 питающей магистрали ПМ.

Полость Г КУТП 15 через кран СТС 13 сообщается с атмосфе-рой. По мере наполнения контура III давление в полости В КУТП 15 возрастает, в результате чего поршень П7 перемещается, и сжатый воздух поступает в соединительную головку 21 управляющей магист-рали УМ. Выключатель 23 включает стоп-сигналы 24.

От ресивера IV сжатый воздух подводится к крану ВТС 26, кла-пану аварийного растормаживания СТС 36, а также к нетормозным потребителям, таким как система регулирования давления воздуха в шинах (СРДВШ), пневматические упругие элементы (ПУЭ) подвески, электропневматический привод (ЭПП) агрегатов трансмиссии и т.д.

На входе в тормозной привод прицепа воздух повторно очища-ется магистральными фильтрами 1 и осушается влагомаслоотдели-телями 4. Если отсечный кран 31 не был предварительно открыт вручную, он автоматически открывается под действием давления в питающей магистрали ПМ. Сжатый воздух от крана 31 поступает в по-лости Б и В воздухораспределителя ВР1, далее через защитный кла-пан 8 в ресивер V переднего контура прицепа, параллельно – на вход ускорительного клапана 34 и через полости Б и В воздухораспредели-теля ВР2 в ресивер VI заднего контура прицепа.

По мере наполнения управляющей магистрали УМ давление в полости А воздухораспределителя ВР1 повышается, что приводит к затормаживанию прицепа (см. ниже п. 7). Согласно требованиям ГОСТ 4364-81 и Правила №13 ЕЭК ООН, после запуска ДВС через 9…11 минут все ресиверы автопоезда должны зарядиться до номи-нального давления.

3. Начало движения. Сначала необходимо произвести растор-маживание СТС прицепа с помощью кранов 33, которые перепускают сжатый воздух из ресиверов V и VI через двухмагистральные клапаны 22 и клапаны быстрого растормаживания 17 в пружинные энергоакку-муляторы 18 прицепа, выключая их. После выключения пружинных энергоаккумуляторов 18 прицеп остаётся в заторможенном состоянии за счёт давления в его тормозных камерах 14. Затем краном 13 вы-ключают СТС тягача. Аналогичным образом сжатый воздух из ресиве-ра III поступает в пружинные энергоаккумуляторы 18 тягача и выклю-

82

чает их. Одновременно падает давление в управляющей магистрали УМ и в полости А воздухораспределителя ВР1, что приводит к выклю-чению тормозных камер 14 и полному растормаживанию прицепа (см. ниже п. 8). После этого можно начинать движение.

4. Рабочее торможение тягача. Водитель, нажимая педаль тормоза, воздействует на тормозной кран 12 с последовательным расположением секций С1 и С2. Ввиду того, что трубопроводы задне-го контура в несколько раз длиннее, чем переднего, целесообразно для уравнивания их быстродействия сначала включать секцию С2, а затем С1. Иногда применяют тормозной кран с параллельным распо-ложением секций. При включении верхней секции С2 тормозного кра-на 12 сжатый воздух из ресивера II поступает через автоматический регулятор тормозных сил 16 в тормозные камеры 14 заднего контура РТС тягача, а также в полость А КУТП 15. Кроме того, воздух подво-дится в надпоршневую полость нижней секции С2, что приводит к её включению. Воздух от ресивера I поступает в тормозные камеры 14 переднего контура РТС тягача, а также в полость Д КУТП 15. Следя-щее действие тормозного крана 12 достигается за счёт подпоршневых полостей обеих секций: как только давление над поршнем и под поршнем уравнивается, кран переключается в среднее положение. При отказе одного из контуров секция другого остаётся полностью ра-ботоспособной и выполняет торможение с эффективностью, не ниже предписанной для ЗТС. При наполнении диафрагменных тормозных камер 14 тягача cжатым воздухом осуществляется его затормажива-ние. Автоматический регулятор тормозных сил 16 управляет задним контуром РТС в зависимости от загрузки, которая определяется дав-лением в ПУЭ подвески.

5. Запасное торможение тягача. При отказе обоих рабочих контуров тормозного привода тягача роль ЗТС выполняет СТС. Для этого предусмотрен кран СТС 13, способный выпускать сжатый воздух из пружинных энергоаккумуляторов 18 и из полости Г КУТП 15 в сле-дящем режиме.

6. Отдельное управление тормозами прицепа. Во избежа-ние складывания автопоезда на спуске иногда возникает необходи-мость его «растянуть». Для этого предусмотрен кран отдельного управления РТС прицепа 25. При его включении сжатый воздух из ре-

83

сивера III через двухмагистральный клапан 22, необходимый для от-ключения контура РТС, поступает в полость А КУТП 15. Таким обра-зом, КУТП включается без активизации РТС тягача.

7. Торможение прицепа. При повышении давления в полости А или Д, а также при его снижении в полости Г КУТП 15 включается и пе-репускает сжатый воздух из ресивера III в соединительную головку 21 управляющей магистрали УМ, одновременно включая стоп-сигналы 24 с помощью выключателя 23. Следящее действие КУТП осуществляет-ся за счёт подачи выходного давления в полость Б. Таким образом, ак-тивизация РТС прицепа и включение стоп-сигналов производятся при торможении любым контуром РТС или СТС тягача.

Сжатый воздух от соединительной головки 21 управляющей ма-гистрали УМ поступает в полость А воздухораспределителя ВР1, в ре-зультате чего его поршни перемещаются и перепускают воздух из ре-сивера V в тормозные камеры 14 переднего контура РТС прицепа. Кроме того, сжатый воздух поступает на вход ускорительного клапана 34, предназначенного для повышения быстродействия тормозного привода на длиннобазных прицепах путём дополнительного подвода воздуха из питающей магистрали в управляющую. Далее сжатый воз-дух поступает в полость А воздухораспределителя ВР2, который включается аналогичным образом и перепускает сжатый воздух из ресивера VI в тормозные камеры 14 заднего контура РТС прицепа. Следящее действие в воздухораспределителях 32 обеспечивается за счёт полости Г: когда давление в полостях В и Г уравнивается, возду-хораспределитель переключается в среднее положение.

8. Растормаживание РТС. Водитель отпускает педаль тормоза. При этом cекции С1 и С2 тормозного крана 12 возвращаются в исход-ное положение, выпуская воздух из тормозных камер 14 обоих конту-ров РТС тягача, а также из полостей А и Д КУТП 15 в атмосферу. КУТП 15 выключается и выпускает воздух из управляющей магистрали УМ.

Давление в полостях А воздухораспределителей 32 снижается. Поршни воздухораспределителей перемещаются и выпускают воздух из тормозных камер 14 обоих контуров РТС прицепа в атмосферу. Благодаря обратному клапану в конструкции воздухораспределителя 32 зарядка ресиверов V и VI не прекращается во время торможения и растормаживания.

84

9. Вспомогательное торможение. При включении релейного крана ВТС 26 сжатый воздух подводится к пневмоцилиндру 27, кото-рый поворачивает заслонку в выпускном коллекторе ДВС, создавая дополнительное сопротивление его работе, к пневмоцилиндру 28, пе-рекрывающему подачу топлива к ДВС, а также на вход реле 29, кото-рое замыкает электрическую цепь управления электромагнитными клапанами (ЭМК) ВТС прицепа 35. Включаются контрольная лампа 30 на панели приборов, сигнализирующая об активизации ВТС, и стоп-сигналы 24. ЭМК ВТС прицепа каждого контура перекрывает управ-ляющую магистраль на участке между воздухораспределителем 32 и автоматическим регулятором тормозных сил 16, одновременно пере-пуская воздух из ресивера 9 в тормозные камеры 14 прицепа под фиксированным давлением, которое обычно не превышает 0,10... 0,17 МПа (в зависимости от модели колёсной машины) в связи с не-большой эффективностью ВТС (до 0,8...1,0 м/с2). Если при этом акти-визировать РТС прицепа, выключатель К1 размыкает цепь управле-ния ЭМК 35, отключая его. Таким образом, обеспечивается приоритет РТС по отношению к ВТС.

10. Аварийное растормаживание СТС тягача. При падении давления в ресивере III автоматически включается СТС. Если это произойдёт, например, на железнодорожном переезде, возникнет не-обходимость срочно растормозить тягач во избежание столкновения с поездом. На этот случай предусмотрен ключ К3, замыкающий при лю-бом включении крана СТС 13 цепь управления клапаном аварийного растормаживания СТС 36, который перепускает сжатый воздух в пру-жинные энергоаккумуляторы 18 из ресивера IV в релейном режиме (то есть без следящего действия). При наличии давления в контуре III ключ К2 размыкает цепь управления клапаном 36 во избежание его ложного включения.

11. Отсоединение прицепа от тягача. При перекрытии или обрыве магистралей между тягачом и прицепом давление в соедини-тельных головках 20 и 21 падает до атмосферного. Соответственно, сжатый воздух через открытый отсечный кран 31 и соединительную головку 20 питающей магистрали ПМ выходит в атмосферу из полости Б, а через соединительную головку 21 управляющей магистрали УМ – из полости А воздухораспределителя ВР1. Нижний поршень послед-

85

него под действием давления от ресивера в полости В перемещается и осуществляет торможение прицепа (см. выше п. 7). Разрядка реси-веров 9 предотвращается за счёт обратных клапанов, встроенных в воздухораспределители 32.

12. Стоянка. Сначала водитель переключает из одного фикси-руемого положения в другое кран СТС 13, который выпускает в атмо-сферу воздух из пружинных энергоаккумуляторов 18 тягача, включая их, а также из полости Г КУТП 15, в результате чего активизируется РТС прицепа (см. выше п. 7). Активизация СТС прицепа производится не дистанционно из кабины водителя, а непосредственно на прицепе с помощью кранов 33, при включении которых сжатый воздух из пружин-ных энергоаккумуляторов 18 прицепа через клапан быстрого растор-маживания 17 выпускается в атмосферу. Пружины энергоаккумулято-ров освобождаются и активизируют колёсные тормозные механизмы.

Затем необходимо закрыть отсечный кран 31, чтобы отключить соединительную головку 20 питающей магистрали ПМ от тормозного привода прицепа. Выходы крана 31 соединяются между собой через полость Б воздухораспределителя ВР1, что препятствует разрядке ресиров 9 прицепа. Перед длительной стоянкой (более 30 минут) ре-комендуется также перекрыть разобщительные краны 19 обеих маги-стралей во избежание чрезмерных утечек воздуха из тормозного при-вода тягача через соединительные головки 20 и 21.

После этого можно выключать ДВС. Давление в соединительных головках 20 и 21 обеих магистралей упадёт до атмосферного. Возду-хораспределители 32 отключатся и выпустят воздух из тормозных ка-мер 14 прицепа. Тормозные механизмы останутся во включённом со-стоянии под действием пружинных энергоаккумуляторов 18.

4.5.3. Повышение быстродействия ПТП

ПТП обладает следующими основными недостатками: 1. Большие габариты исполнительных механизмов и ограничен-

ное максимальное тормозное усилие, что связано с относительно не-высоким рабочим давлением.

2. Значительная функциональная и структурная сложность, яв-ляющаяся следствием повышения надёжности.

3. Недостаточное быстродействие (для длиннобазных автопоез-дов время срабатывания достигает 2…3 с вместо предписанных 0,6 с).

86

4. Принципиальная невозможность улучшения тормозного про-цесса путём реализации сложных алгоритмов управления ввиду не-достаточной точности.

Направления совершенствования ПТП: 1. Оптимизация параметров управляющих аппаратов и пневма-

тической схемы. Определённые резервы быстродействия заключаются в выборе рациональных проходных сечений магистралей и управляю-щих аппаратов. Это наиболее доступный и дешёвый путь, так как не требует применения дополнительных аппаратов. Однако выбор рацио-нальных сечений является сложной задачей (особенно для современ-ных многоконтурных приводов), которая решается путём расчёта ди-намических процессов с помощью математического моделирования.

2. Повышение давления до 1,5…2,5 МПа. Это направление сдерживается необходимостью замены практически всех элементов ПТП, прежде всего, компрессора.

3. Применение ускорительных клапанов и корректирующих устройств, если возможности первых двух способов исчерпаны, а быстродействие недостаточное.

4. Применение комбинированных тормозных приводов, замена пневматических магистралей управления электрическими цепями. Наибольшее распространение на колёсных машинах получили пнев-могидравлический (ПГТП) и электропневматический (ЭПТП) комбини-рованные тормозные приводы.

4.6. Пневмогидравлический тормозной привод (ПГТП)

Сочетает в себе преимущества ПТП и ГТП: повышает быстродей-ствие в 1,5…3 раза по сравнению с ПТП и позволяет применять колёс-ные гидроцилиндры вместо кулачковых разжимных устройств. Пневма-тическая часть ПГТП предназначена для обеспечения серводействия, то есть, по сути, для снижения потребного усилия на педали тормоза. ПГТП применяется на одиночных грузовых автомобилях средней грузо-подъёмности (например, ГАЗ-3309, -3308, -33081 «Садко»). Принципи-альная схема ПГТП изображена на рис. 4.8. Принцип действия блока подготовки воздуха (БПВ) 1, двойного защитного клапана 2 и тормозного крана (ТКР) 7 аналогичен обычному двухпроводному ПТП тягача (см. рис. 4.7, а). Для создания давления в гидравлической части каждого

87

контура под действием сжатого воздуха из его пневматической части служит пневмогидроцилиндр (ПГЦ) 10, конструктивно состоящий из двух аппаратов – пневмоусилителя и гидроцилиндра.

Рис. 4.8. Пневмогидравлический тормозной привод колёсной машины: 1 – блок подготовки воздуха (состав см. рис. 4.7); 2 – двойной защитный клапан;

3 – ресивер; 4 – электронный манометр; 5 – сигнализатор критического снижения давления; 6 – сигнализатор аварийного хода поршня и снижения

уровня тормозной жидкости; 7 – тормозной кран (см. рис. 4.7); 8 – выключатель стоп-сигналов; 9 – стоп-сигналы;

10 – пневмогидроцилиндр (ПГЦ); 11 – наполнительный бачок; 12 – колёсный тормозной цилиндр (КТЦ); 13 – рычаг СТС

В данном ПГТП используются три унифицированных ПГЦ: один – в переднем контуре, два – в заднем, что обусловлено применением ан-тиблокировочной системы. В связи с этим задний контур оснащён дву-мя ресиверами (II и III). При этом СТС имеет механический привод с управлением от рычага 13.

Гидроцилиндр ПГЦ установлен с пневмоусилителем на раме и соединён с ним тремя шпильками. Гидроцилиндр через переходный штуцер и трубопровод соединён с наполнительным бачком 11. В пневмоусилитель ввёрнут фильтр для очистки атмосферного воздуха, поступающего внутрь при возврате штока.

Часто пневмогидроцилиндр называют главным тормозным цилиндром, что не совсем корректно, так как он не создаёт усилие в приводе, а только преобразует энергию сжатого воздуха в энергию рабочей жидкости.

88

1. Торможение. Сжатый воздух из двухсекционного тормозного крана 7 поступает через штуцер в крышке к мембране пневмоусили-теля. Толкатель пневмоусилителя перемещает поршень гидроцилин-дра, разобщая его рабочую полость и наполнительный бачок 11. При движении поршня жидкость из гидроцилиндра проходит через отвер-стия в пластине клапана избыточного давления и, отжимая резиновый поясок клапана от пластины, поступает в трубопровод, идущий к ко-лёсным тормозным цилиндрам 12.

2. Растормаживание. Воздух из пневмоусилителя через двух-секционный тормозной кран 7 выходит в атмосферу. Шток пневмоуси-лителя и поршень гидроцилиндра под действием возвратной пружины перемещаются в исходное положение. Избыток жидкости возвраща-ется в наполнительный бачок 11. Система расторможена и готова к последующему торможению. Если водитель резко освобождает пе-даль тормоза, поршень гидроцилиндра возвращается быстрее, чем жидкость из колёсных цилиндров. В гидроцилиндре создаётся разре-жение, под действием которого головка отходит от поршня, образуя торцевой зазор, и жидкость из наполнительного бачка 11 заполняет рабочую полость гидроцилиндра.

Рис. 4.9. Пневмогидравлический тормозной привод полуприцепа: 1, 2 – соединительные головки ПМ и УМ соответственно; 3 – магистральный фильтр; 4 – влагомаслоотделитель; 5 – ресивер регенерации; 6 – отсечный кран; 7 – воздухораспределитель; 8 – двойной защитный клапан; 9 – ресивер;

10 – пневмогидроцилиндр (ПГЦ); 11 – наполнительный бачок; 12 – колёсный тормозной цилиндр; 13 – кран СТС;

14 – клапан быстрого растормаживания; 15 – пружинный энергоаккумулятор

89

ПГТП также применяется на прицепных звеньях большегрузных автопоездов специального назначения (рис. 4.9). Пневматическая часть позволяет компенсировать утечки в соединительных головках 1 и 2, однако рабочее давление в ней слишком низкое, чтобы обеспе-чить тормозные усилия необходимой величины для остановки авто-поезда специального назначения полной массой до 100 т и более. Со-отношение площадей поршней в пневмоусилителе и гидроцилиндре ПГЦ 10 позволяет на порядок увеличить давление, подводимое к раз-жимным устройствам тормозных механизмов, и, соответственно, тор-мозные усилия на колёсах прицепного звена.

Работа отсечного крана 6, воздухораспределителя 7, двойного защитного клапана 8 и крана СТС 13 аналогична двухпроводному ПТП прицепа (см. рис. 4.7, б), а принцип действия ПГЦ и гидравлической части ПГТП не отличается от приведённого выше (см. рис. 4.8).

4.7. Электропневматический тормозной привод (ЭПТП)

Известны случаи установки ЭПТП на одиночные грузовые авто-мобили, однако в большей мере эффект от его применения проявля-ется на автопоездах, особенно, многозвенных. Правило №13 ЕЭК ООН и ГОСТ Р 41.13-2007 допускают следующие соединения ЭПТП автопоезда:

– трёхмагистральный (2P/1E); – двухмагистральный (1P/1E). На рисунке 4.10 приведены их функциональные схемы. Управляющие функции в ЭПТП переданы электронному блоку

управления (ЭБУ) и электропневматическим клапанам (ЭПК), а сило-вые функции – традиционным пневмоаппаратам.

Преимущества применения ЭПТП: 1. Время срабатывания тормозного привода практически не за-

висит от длины и числа звеньев автопоезда, что гарантирует выпол-нение норматива 0,6 с и выравнивает асинхронность срабатывания тормозных механизмов на разных осях.

2. Реализует алгоритмы управления торможением любой слож-ности, в том числе автоматическое регулирование тормозных сил в зависимости от загрузки, а также предотвращение блокировки и бук-сования колёс, динамическую стабилизацию путём импульсного вы-

90

борочного подтормаживания, автоматическое торможение при сокра-щении дистанции и другие функции систем активной безопасности.

3. Значительно расширяются возможности по бортовой диагно-стике и самодиагностике тормозного привода с целью оперативного (то есть во время движения) контроля его работоспособности.

Рис. 4.10. Схемы электропневматических тормозных приводов автопоезда. Тип ЭПТП: 2P/1E – трёхмагистральный, 1P/1E – двухмагистральный. Магистрали: ПМ – питающая, ПУМ – пневматическая управляющая,

ЭУМ – электрическая управляющая. Элементы ТП: РТС – тормозной кран; СТС – кран управления стояночной системой; ТК – тормозные камеры;

ПА – пружинные энергоаккумуляторы; КУТП – клапан управления тормозами прицепа; ВР – воздухораспределитель;

ЭБУ – электронный блок управления; М – модулятор давления. Сигналы: (pК) – давление в системе от компрессора;

(+p) – повышение давления; (–p) – снижение давления; (e0) – питание от аккумуляторной батареи; (+e) – электрический управляющий сигнал;

О – инвертирование сигнала

91

4. Основные узлы ПТП – компрессор, ресиверы, трубопроводы и тормозные механизмы – остаются без изменений, а многообразие управляющих пневмоаппаратов, различных по назначению и конст-рукции, может быть заменено набором унифицированных ЭПК.

5. Передача управляющих функций электронике позволяет су-щественно упростить механические элементы тормозного привода, повысив их надёжность и ремонтопригодность.

Прицеп, эксплуатация которого предполагается совместно с тя-гачом, оборудованным обычным двухпроводным ПТП, может быть ос-нащён автономным ЭПТП по схеме, представленной на рис. 4.11. Для этого ПТП прицепа дополняется ЭБУ 10, датчиками давления 11 и 16, отсечным клапаном 12, ЭПК торможения 13, а также модулятором давления 15, состоящим из двух электромагнитных клапанов (ЭМК) – выдержки K1 и сброса K2.

Рис. 4.11. Электропневматический тормозной привод полуприцепа: 1, 2 – соединительные головки ПМ и УМ соответственно; 3 – магистральный фильтр; 4 – влагомаслоотделитель;

5 – ресивер регенерации; 6 – отсечный кран; 7 – воздухораспределитель; 8 – двойной защитный клапан; 9 – ресивер;

10 – электронный блок управления (ЭБУ); 11, 16 – датчики давления; 12 – отсечный клапан; 13 – электропневматический клапан (ЭПК) торможения;

14 – автоматический регулятор тормозных сил; 15 – модулятор давления; 17 – тормозная камера; 18 – кран растормаживания прицепа;

19 – двухмагистральный клапан; 20 – клапан быстрого растормаживания; 21 – пружинный энергоаккумулятор; 22 – стоп-сигналы

92

1. Торможение. Электрический сигнал от прицепа на включение стоп-сигналов 22 поступает также на вход ЭБУ 10, который подаёт ко-манду на перекрытие управляющей магистрали УМ отсечным клапа-ном 12, в результате чего повышается давление в соединительной головке 2, измеряемое датчиком 11. Одновременно ЭБУ подаёт сиг-нал на переключение ЭПК торможения 13, который перепускает сжа-тый воздух из ресивера V через регулятор тормозных сил 14 и откры-тый ЭМК выдержки K1 модулятора 15 в тормозные камеры 17.

2. Следящее действие обеспечивается за счёт ЭМК выдержки K1 и сброса K2 модулятора 15, при этом давление в тормозных каме-рах измеряется датчиком 16. ЭБУ 10 управляет модулятором 15 таким образом, чтобы свести рассогласование между показаниями датчиков 11 и 16 к нулю.

3. Растормаживание. ЭБУ 10 подаёт команду на перекрытие ЭМК выдержки K1 модулятора 15, чтобы предотвратить падение дав-ления в ресивере V, и на открытие ЭМК сброса K2, через который воздух выходит из тормозных камер 17 в атмосферу.

4. Отказ электрической части. ЭБУ 10 не работает, отсеч-ный клапан 12 остаётся открытым, и торможение осуществляется пневматически через управляющую магистраль УМ посредством воз-духораспределителя 7.

Современные автопоезда оснащаются полноценным ЭПТП (рис. 4.12), в котором тормозной кран и ЭБУ тягача совмещены в единый аппарат – центральный тормозной блок (ЦТБ) 4. Прицеп оборудован собственным ЭБУ 14. Между ЦТБ 4 и ЭБУ 14 поддержи-вается двухсторонняя связь через электрическую управляющую ма-гистраль ЭУМ.

Давление в тормозных камерах 6 всего автопоезда регулируется с помощью унифицированных модуляторов 5, которые на тягаче по-лучают команды непосредственно от ЦТБ 4, а на прицепе – от ЭБУ 14. Следящее действие обеспечивается путём измерения частоты вра-щения колёс автопоезда датчиками 7.

При отказе электрической части торможение осуществляется через пневматическую управляющую магистраль ПУМ аналогично двухпроводному ПТП.

93

Рис. 4.12. Электропневматический тормозной привод автопоезда: 1 – блок подготовки воздуха (см. рисунок 4.7); 2 – тройной защитный клапан;

3 – ресивер; 4 – центральный тормозной блок (ЦТБ); 5 – модулятор давления; 6 – тормозная камера; 7 – датчик оборотов колеса;

8 – клапан управления тормозами прицепа (КУТП); 9, 10, 11 – соединительные головки ПМ, ПУМ и ЭУМ соответственно;

12 – отсечный кран; 13 – воздухораспределитель; 14 – электронный блок управления (ЭБУ); 15 – стоп-сигналы; 16 – кран СТС;

17 – кран растормаживания прицепа; 18 – двухмагистральный клапан; 19 – клапан быстрого растормаживания; 20 – пружинный энергоаккумулятор

Контрольные вопросы по теме 4

1. Что подразумевает естественное сопротивление движению колёс-ной машины?

2. Перечислите основные задачи тормозной системы. 3. Приведите классификацию тормозных систем. 4. Что может использоваться в качестве исполнительного устройства вспомогательной тормозный системы?

5. Какие применяются схемы двухконтурных тормозных приводов? В чём особенности каждой из них?

6. Как работает гидравлический тормозной привод прямого действия? 7. Чем отличается гидравлический тормозной привод с вакуумным усилителем на легковых и грузовых автомобилях?

8. Поясните принцип действия насосно-аккумуляторного привода. 9. Какие схемы пневматического тормозного привода применяются на автопоездах?

94

10. Из чего состоит двухпроводной пневматический тормозной при-вод? Расскажите его принцип действия.

11. Каким недостатками обладает пневматический тормозной при-вод? Каковы направления его совершенствования.

12. В чём заключаются достоинства пневмогидравлического тормоз-ного привода?

13. Как работает пневмогидроцилиндр при торможении и расторма-живании?

14. Перечислите преимущества применения электропневматическо-го тормозного привода.

15. Как функционирует автономный электропневматический тормоз-ной привод прицепа?

16. Назовите особенности современных электропневматических тор-мозных приводов, применяемых на автопоездах.

95

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящем учебном пособии рассмотрены три основные сис-темы управления, присущие любой колёсной машине, – рулевое управление, трансмиссия и тормозная система. Из всего многообра-зия конструктивных решений перечисленных систем рассмотрены наиболее современные, применяемые в настоящее время. В пособии затронута проблема взаимодействия элементов системы водитель–автомобиль–дорога–среда, представлена новая классификация сис-тем управления. Подробно рассмотрен вопрос стабилизации и углов установки управляемых колёс, вызывающий множество споров. Мате-риал пособия изложен в контексте автоматизации, без которой невоз-можно представить системы управления на современных колёсных машинах. Рассмотрен электропневматический тормозной привод, по-лучающий всё большее распространение на магистральных грузовых автопоездах, однако практически не нашедший отражения в отечест-венной учебной литературе.

96

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автомобили. Конструкция, конструирование и расчет. Систе-мы управления и ходовая часть: учеб. пособие для втузов / А.И. Гриш-кевич [и др.]; под ред. А.И. Гришкевича. – Минск: Вышэйшая школа, 1987. – 199 с.

2. Верещагин, С.Б. Особенности процесса маневрирования мно-гоопорных платформ / С.Б. Верещагин, Г.И. Гладов, Л.В. Демидов // Автомобильная промышленность. – 2014. – № 10. – С. 15–18.

3. Гладов, Г.И. Для повышения маневренных свойств больше-грузных автопоездов / Г.И. Гладов, Л.А. Пресняков, В.Д. Ролдугин // Автомобильная промышленность. – 2007. – № 6. – С. 11–12.

4. Гладов, Г.И. Зависимость маневренных свойств большегруз-ных автопоездов от параметров системы управления поворотом / Г.И. Гладов, Л.А. Пресняков // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2007. – № 3. – С. 40–42.

5. Гладов, Г.И. Оценочные показатели и расчет маневренности полуприцепного автопоезда: учеб. пособие / Г.И. Гладов, Л.В. Деми-дов. – М.: МАДИ, 2016. – 124 с.

6. Гладов, Г.И. Типы многоопорных самоходных большегрузных транспортных средств и особенности их движения по криволинейной траектории / Г.И. Гладов, Л.В. Демидов // Вестник МАДИ. – 2014. – № 2. – С. 43–47.

7. Гуревич, Л.В. Пневматический тормозной привод автотранс-портных средств: Устройство и эксплуатация / Л.В. Гуревич, Р.А. Ме-ламуд. – М.: Транспорт, 1988. – 224 с.

8. Демидов, Л.В. Система управления поворотом самоходного транспортного средства для перевозки тяжеловесных грузов / Л.В. Демидов // Вестник МАДИ. – 2014. – № 4. – С. 68–71.

9. Малиновский, М.П. Эволюция систем управления АТС / М.П. Малиновский // Вестник МАДИ. – 2014. – № 4. – С. 22–31.

10. Малиновский, М.П. Экспериментальное исследование харак-теристик систем управления транспортных средств: учеб. пособие / М.П. Малиновский. – М.: МАДИ, 2011. – 123 с.

11. Метлюк, Н.Ф. Динамика пневматических и гидравлических приводов автомобилей / Н.Ф. Метлюк, В.П. Автушко. – М.: Машино-строение, 1980. – 231 с.

97

12. Петров, В.А. Автоматические сцепления автомобилей / В.А. Петров. – М.: Машгиз, 1961. – 279 с.

13. Повышение энергетической эффективности тягового элек-тропривода транспортных средств с независимыми индивидуальными движителями / Т.В. Голубчик, В.Е. Ютт, К.Т. Нгуен, Д.Б. Лазарев // Со-временные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1. – С. 215.

14. Ротенберг, Р.В. Основы надежности системы водитель–автомобиль–дорога–среда / Р.В. Ротенберг. – М.: Машиностроение, 1986. – 216 с.

15. Румянцев, Л.А. Проектирование автоматизированных ав-томобильных сцеплений / Л.А. Румянцев. – М.: Машиностроение, 1975. – 176 с.

16. Сидоров, К.М. Индивидуальный электропривод ведущих ко-лес транспортного средства. Результаты разработки и стендовых ис-пытаний / К.М. Сидоров, В.Е. Ютт, Т.В. Голубчик // Вестник МАДИ. – 2013. – № 1. – С. 13a–20.

17. Сидоров, К.М. Комбинированные энергетические установки в системе автономного электроснабжения / К.М. Сидоров, В.Е. Ютт, Т.В. Голубчик // Вестник МАДИ. – 2013. – № 4. – С. 37a–44.

18. Сидоров, К.М. Состояние проблемы реализации гибридных силовых установок на автотранспорте / К.М. Сидоров, В.Е. Ютт, Т.В. Голубчик // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2011. – № 2–3. – С. 12–16.

19. Ютт, В.Е. Перспективные системы тягового электрообору-дования для транспортных средств / В.Е. Ютт, К.М. Сидоров, Т.В. Го-лубчик // Вестник МАДИ. – 2012. – № 1. – С. 56a–63.

98

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................. 3

1. КОЛЁСНАЯ МАШИНА КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ ..................... 4 1.1. Система ВАДС ............................................................................. 4 1.2. Классификация систем управления .......................................... 6 Котрольные вопросы по теме 1 ...................................................... 9

2. РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ................................................................ 10 2.1. Способы поворота колёсной машины ..................................... 10

2.1.1. Поворот плоскостей качения колёс ............................... 10 2.1.2. Складывание сочленённых звеньев.............................. 13 2.1.3. Изменение относительной скорости колёс ................... 14 2.1.4. Комбинированные способы поворота ........................... 16

2.2. Назначение и состав рулевого управления ............................ 16 2.3. Классификация рулевых управлений ...................................... 17 2.4. Правила проектирования рулевого привода .......................... 19

2.4.1. Применение разрезной рулевой трапеции ................... 19 2.4.2. Коэффициент бокового скольжения .............................. 20 2.4.3. Несколько управляемых осей ........................................ 22 2.4.4. Согласование кинематики

рулевого привода и подвески ........................................ 23 2.5. Стабилизация и углы установки управляемых колёс ............. 25

2.5.1. Поперечный наклон шкворня ......................................... 27 2.5.2. Развал .............................................................................. 28 2.5.3. Весовая стабилизация ................................................... 31 2.5.4. Радиус обкатки ................................................................ 32 2.5.5. Схождение ....................................................................... 33 2.5.6. Продольный наклон шкворня ......................................... 34 2.5.7. Скоростная стабилизация .............................................. 37

2.6. Виды обратной связи в усилителях рулевого управления ................................................................ 40 2.6.1. Механическая обратная связь ....................................... 40 2.6.2. Гидравлическая обратная связь .................................... 41 2.6.3. Электрическая обратная связь ...................................... 42

2.7. Схемы компоновки гидроусилителя руля ................................ 43 Котрольные вопросы по теме 2 .................................................... 44

99

3. ТРАНСМИССИЯ ............................................................................... 46 3.1. Устойчивость работы ДВС ........................................................ 46 3.2. Классификация трансмиссий ................................................... 48 3.3. Автоматизация сцепления ........................................................ 52 3.4. Автоматизация коробки передач ............................................. 57

3.4.1. Управление ступенчатой трансмиссией........................ 57 3.4.2. Управление бесступенчатой трансмиссией .................. 61

Котрольные вопросы по теме 3 .................................................... 64

4. ТОРМОЗНАЯ СИСТЕМА ................................................................. 65 4.1. Назначение и состав тормозной системы ............................... 65 4.2. Классификация тормозных систем .......................................... 65 4.3. Схемы двухконтурных тормозных приводов ........................... 68 4.4. Гидравлический тормозной привод (ГТП) ............................... 70

4.4.1. ГТП прямого действия .................................................... 70 4.4.2. ГТП непрямого действия ................................................ 71 4.4.3. Насосно-аккумуляторный привод .................................. 73

4.5. Пневматический тормозной привод (ПТП) .............................. 74 4.5.1. Однопроводной ПТП ....................................................... 75 4.5.2. Двухпроводной ПТП ....................................................... 76 4.5.3. Повышение быстродействия ПТП ................................. 85

4.6. Пневмогидравлический тормозной привод (ПГТП) ................ 86 4.7. Электропневматический тормозной привод (ЭПТП) .............. 89 Котрольные вопросы по теме 4 .................................................... 93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................... 95

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................................... 96

Учебное издание

МАЛИНОВСКИЙ Михаил Павлович

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

КОЛЁСНЫХ МАШИН

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Редактор Г.Н. Середина

Редакционно-издательский отдел МАДИ. E-mail: rio@madi.ru

Подписано в печать 17.05.2018 г. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 6,25. Тираж 500 экз. Заказ . Цена 205 руб.

МАДИ, Москва, 125319, Ленинградский пр-т, 64.