Углы поворота управляемых колес

Особенность прохождения картом поворотов основана на разгрузке внутреннего заднего колеса и обеспечивается за счет использования специальных кинематических приемов в шасси карта. Так как эта разгрузка колеса (его вывешивание) необходима в повороте, и степень разгрузки колеса должна быть прямо пропорциональной крутизне поворота, то это соответствие необходимо поставить в зависимость от углов поворота управляемых колес.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции поворотного узла управляемого колеса
карта, рассмотрим его более подробно.

Ось вращения переднего колеса — цапфа — вместе с рычагом, обеспечивающим ее поворот, образуют поворотный кулак. Этот кулак подвижно соединяется с рамой карта через шкворень, который и обеспечивает возможность поворота кулака вокруг оси поворота (рис. 1).

Поворотные кулаки имеют рычаги, которые вместе с рулевыми тягами образуют рулевую трапецию, которая в свою очередь соединена с рулевым колесом. Назначение рулевой трапеции было описано в предыдущей статье, но здесь необходимо особо отметить, что колеса в повороте поворачиваются на разные углы именно благодаря наличию рулевой трапеции. Внутреннее колесо поворачивается на больший угол, а наружное — на меньший. Кинематическая схема трапеции такова, что чем больше угол поворота руля, тем больше разница в углах поворота.

Конструктивно рулевая трапеция может иметь различное исполнение. На рис. 2 показаны примеры такого исполнения:

а) рулевая трапеция с разрезной рулевой тягой и одним шарниром в сочленении с поводком рулевого колеса. При повороте руля длина такой тяги практически не изменяется (теоретически все-таки уменьшается из-за отклонения от линии, соединяющей шарниры кулаков между собой).

б) рулевая трапеция с цельной (неразрезной) поперечной рулевой тягой. Ее длина не изменяется с поворотом рулевого колеса и углы поворота колес меняются прямо пропорционально повороту рулевого колеса.

в) рулевая трапеция с разрезной рулевой тягой и двумя шарнирами в сочленении с поводком рулевого колеса. При повороте руля с такой тягой расстояние между точками присоединения тяги к поворотному кулаку изменяется в зависимости от поворота рулевого колеса. При этом зависимость углов поворота управляемых колес будет нелинейной и достаточно сложной. Следует отметить, что на малых углах поворота рулевого колеса разность углов поворота колес незначительна. При нейтральном положении рулевого колеса рулевая трапеция для некоторых картов является параллелограммом, а с поворотом руля резко возрастает. Такая зависимость углов поворота управляемых колес от поворота рулевого колеса для картов оказалась наиболее удачной и применяется в настоящее время практически во всех конструкциях картов. Кроме того, за счет возможности изменения начальных углов и радиусов
поворотов в приводе с помощью перестановки пальцев рулевых тяг кинематика рулевого привода может перестраиваться. Поэтому для того, чтобы правильно использовать имеющиеся возможности такой настройки, рассмотрим более подробно кинематические зависимости в рулевой трапеции схемы в).

В классической схеме рулевой трапеции с неразрезной поперечной тягой (схема б на рис. 2) продолжения поворотных рычагов, пересекаясь, образуют угол, котрый называют углом Аккермана — α. Фактически он определяется соотношением расстояния между центрами поворотных кулаков — В и длиной поперечной тяги — lm. Чем больше разница между ними, тем больше этот угол α и тем больше разница в углах поворота колес (рис. 3). При В = lm трапеция преобразуется в параллелограмм, рычаги поворотных кулаков становятся параллельными, угол α = 0 и цапфы колес при повороте руля будут поворачиваться на равные углы.

*При исследовании особенностей применения различных схем в рулевом приводе картов для корректности сравнения использованы размеры конкретной рамы карта, где В = 680 мм, а длина плеча поворотного кулака r_r = 105 мм.

Наглядно оценить влияние угла Аккермана на углы поворота управляемых колес, а также на их разницу в классической рулевой трапеции (схема б) можно, построив графики.

Такой график зависимости углов поворота внутреннего к повороту и наружного колес от угла поворота рулевого колеса и разница в углах поворота для классической рулевой трапеции с углом α = 32° приведен на рис. 4.

Кинематическая зависимость в рулевой трапеции такова, что при повороте рулевого колеса на угол более 15 градусов появляется заметная разница в углах поворота внутреннего и наружного к повороту колес. При повороте руля на угол более 60 градусов разница в углах поворота колес превышает 10 градусов.

Степень влияния угла Аккермана на углы поворота управляемых колес можно проиллюстрировать следующим графиком (рис. 5), на котором отображены зависимости разницы углов поворота управляемых колес для разных углов α в рулевой трапеции. В эксперименте за начальный угол принято значение 22 градуса, и затем угол увеличивался с шагом в 10 градусов, и оценивалось его количественное влияние на разницу в углах поворота управляемых колес. Это влияние становится тем более прогрессирующим, чем больше угол Аккермана в рулевой трапеции. Особенно такое влияние проявляется при углах поворота руля более, чем на 45 градусов.

Кроме того, из графика хорошо видно, что классическая схема рулевой трапеции не дает возможности использовать углы α более 30 градусов, так как в механизме самой трапеции возникает состояние кинематического «замыкания», при котором рулевое колесо не может быть повернуто до угла 90 градусов. (Так при α = 42 градуса рулевое колесо может повернуться на угол не более 60 градусов).

Как уже отмечалось, наиболее часто в конструкции рулевых трапеций картов применяется схема в) (рис. 2), в которой при повороте рулевого колеса длина поперечной тяги изменяется. Это значит, что при повороте руля изменяется и сам угол Аккермана α. Применение такой схемы позволяет обеспечить возможность получения больших значений угла α при поворотах рулевого колеса на углы, превышающие 45 градусов, и при этом не возникает негативных явлений на малых углах поворота руля. Как при этом влияют количественные характеристики такой конструкции рулевой трапеции на кинематику поворота колес?

Для оценки этого влияния была проведена серия экспериментов на модели карта, и получены количественные характеристики для разных настроечных параметров рулевой трапеции.

*При этом принято во внимание, что изменение расстояния между точками соединения рулевых пальцев с поворотными кулаками соответствует изменению длины условной неразрезной поперечной рулевой тяги, что в свою очередь приводит к изменению угла α. Таким образом, каждое новое положение рулевого колеса приводит к образованию условно новой трапеции с новыми количественными характеристиками. Угол Аккермана при этом становится функцией поворота рулевого колеса и количественных параметров деталей рулевой трапеции.

Первоначально исследовано изменение углов поворота управляемых колес при таком исходном положении установки пальцев рулевых тяг, при которых линии, соединяющие центры поворотов поворотных рычагов и центры пальцев рулевых тяг, были параллельны друг другу и начальный угол Аккермана равен нулю (положение 1 на рис. 6).

Были получены следующие зависимости углов поворота управляемых колес от угла поворота рулевого колеса, разница этих углов, а также приведенное (условное) изменение угла Аккермана (рис. 7).

Как видно из графиков, при углах поворота рулевого колеса более 15° в характере изменения углов поворота колес в применяемых на картах схемах рулевого привода появляются отличия от изменений в классической рулевой трапеции. Разница углов поворота внутреннего и наружного колес растет более стремительно, несмотря на то, что приведенное значение угла Аккермана меньше, чем в принятой для сравнения классической рулевой трапеции.

Так при максимальном угле поворота рулевого колеса угол Аккермана достигает почти 20 градусов. Если сравнить при этом характер изменения разницы углов поворота с классической рулевой трапецией для угла 22 градуса (рис. 5), то при повороте руля на 50 градусов разница в углах поворота внутреннего и наружных колес для классики составляет 4 градуса, а для исследуемой схемы — 7 градусов, т. е. отличается почти в 2 раза.

В конструкции большинства современных картов предусмотрено изменение длины поперечных рулевых тяг при помощи перестановки рулевых пальцев в новое положение на рычаге поворотного кулака. Так на рис. 8 показан кулак карта производства фирмы Birel, для которого предусмотрена такая перестановка.

В связи с наличием таких возможностей было исследовано изменение углов поворота управляемых колес при перестановке пальцев рулевых тяг в положение 2 (рис. 6) при разных значениях смещения Δ = 7,5 мм и Δ = 17,5 мм (рис. 9).

Анализ полученных зависимостей показывает, что перестановка пальцев рулевых тяг на внутренние предусмотренные конструктивно отверстия приводит к увеличению угла поворота внутреннего колеса и уменьшению угла поворота наружного колеса. Совокупно это ведет к увеличению разницы углов поворота управляемых колес.

Так при угле поворота руля равном 50 градусам при Δ = 0 разница в углах поворота составляет 8,1 градуса, при Δ = 7,5 мм — 9,4 градуса, а при Δ = 15 мм — 11,3 градуса. Относительное изменение разницы углов поворота управляемых колес составляет 16 %
и 39,5 % соответственно.

Понимание этой зависимости в дальнейшем будет использовано при выборе путей настройки управляемости карта.

Для примера на рис. 10 приведены зависимости изменения условных углов Аккермана для разных положений пальцев рулевых тяг (разных значений Δ).

При Δ = 0 начальный угол Аккермана равен нулю, а при повороте рулевого колеса до 18 градусов увеличивается. Если Δ = 7,5 мм, то начальный угол составляет уже 8,2 градуса, а при Δ = 15 — 18,9 градуса соответственно.

1. Для обеспечения разности углов поворота управляемых колес карта при повороте применяется рулевая трапеция, основной характеристикой которой является угол между продолжением поворотных рычагов — угол Аккермана — Δ.

2. Наиболее эффективной и широко применяемой для картов является схема рулевой трапеции с изменяемым начальным углом Аккермана.

3. Эта схема имеет целый ряд преимуществ перед классической схемой рулевой трапеции за счет более широкого диапазона изменения ее параметров.

4. Изменение начального угла Аккермана достигается за счет конструктивно предусмотренной возможности перестановки пальцев рулевых тяг в поворотном кулаке карта.

5. При перестановке пальцев рулевых тяг таким образом, что их точки вращения смещаются ближе к продольной оси карта (увеличивается смещение Δ), разность углов поворота управляемых колес увеличивается. В дальнейшем будет доказано, что при
этом увеличиваются перемещения колес карта в вертикальной плоскости, что в свою очередь оказывает влияние на поворачиваемость карта.

6. На относительно малых поворотах рулевого колеса (не более 15—20 градусов) разница в изменении углов поворота управляемых колес при разных углах Аккермана несущественна — до 1 %. На больших углах ее следует считать существенной. Так при угле поворота руля в 45 градусов эта разница превышает 10 %.

7. Таким образом, изменение угла Аккермана перестановкой пальцев рулевых тяг актуально для условий, когда карт движется по траектории с большими углами поворота рулевого колеса.

Источник: Статья из книги «Управляемость карта: Теория и практика»