Новые средства и методы диагностирования рулевого управления тракторов и комбайнов

УДК 629.113.004.558

В.Н.Хабардин, Н.В.Степанов, кандидаты техн. наук, Иркутская ГСХА, С.В.Хабардин, инж., ООО «Российская   научно-производственная фирма   «Политехник» 

Общую оценку технического состояния рулевого управления тракторов, комбайнов и другой сельскохозяйственной техники в экс­плуатации определяют по величине суммарного люфта и по усилию, необ­ходимому для поворота рулевого колеса. Для этого широко используют как электронные устройства, так и механические динамометры-люфтомеры.

Недостатками электронных приборов, например типа ИСЛ-М (измеритель суммарного люфта модернизированный), является то, что они не позволяют измерять усилие на ободе рулевого колеса, дорогостоящи и сложны для эксплуатационных условий.

Известные меха­нические приборы  К-187,  К-402 и К-524 громоздки и не­удобны в эксплуатации. Они состоят из двух конструктивных частей: ди­намометра со шкалой люфтомера и стрелки. При этом динамометр присое­диняют к ободу рулевого колеса, а стрелку устанавливают на рулевую ко­лонку. В результате трудоемкость подготовительно-заключительных работ достаточно велика. Кроме того, на многих моделях транспортных средств установка стрелки невозможна из-за особенностей кон­струкции рулевой колонки. Не менее важно и то, что для обеспечения точности измерений люфта шкала люфтомера должна соответствовать диаметру обода рулевого колеса, а этот параметр почти у всех машин различный. Отсюда – названные приборы не универсальны или неприменимы вовсе. По этим причинам приборы такого типа никогда не использовали в практике и не используют поныне.

В связи с этим нами предложен [1, 2, 3] принципиально новый, не имеющий аналогов в мире прибор для проверки рулевого управления. Измерительный элемент люфта - «сердце» этого прибора - герметичная прозрачная ампула с жидкостью и оставленным в ней пузырьком воздуха. Опытный образец представлен на рис. 1.

Прибор выполнен из трех соединенных в один блок конструктивных частей: динамометра, люфтомера  и присоединительного устройства.

Динамометр двухстороннего действия оснащен двумя динамометрическими рукоятками 1 со шкалами 2 и фиксаторными кольцами 7.  Его пружины размещены в цилиндрическом корпусе, закрытом крышками 12.

Люфтомер скомпонован на диске 6 и представляет собой герметичную прозрачную ампулу 5, заполненную низкозамерзающей жидкостью (спиртом) с оставленным пузырьком воздуха 4. Указанная ампула проградуирована и совмещена со шкалой 3 люфтомера, состоящей из двух частей – соответственно с началом отсчета слева направо и справа налево. Диск 6 установлен во втулке 8 с возможностью вращения как влево, так и вправо. Осевое перемещение диска 6 ограничено двумя установочными винтами 11.

Рис. 1. Прибор для проверки рулевого управления ДЛ-Г (динамометр-люфтомер гидромеханический):

1. динамометрическая рукоятка;
2. шкала динамометра;
3. шкала люфтомера;
4. пузырек воздуха;
5. ампула;
6. диск люфтомера;
7. фиксаторное кольцо;
8. втулка диска;
9. кронштейн;
10. нажимной винт;
11. установочный винт;
12. крышка динамометра.

Присоединительное устройство состоит  из Г-образного кронштейна 9 с запрессованной в него гайкой, в которую ввинчен нажимной винт 10. Для компоновки прибора в один узел втулка 8 жестко присоединена к цилиндру динамометра сверху, а кронштейн 9 также присоединен к этому корпусу, но снизу.

Принцип работы динамометра-люфтомера. Прибор закрепляют винтом 10 к нижней или верхней точке обода рулевого колеса. При этом желательно, чтобы плоскость диска 6 была параллельна плоскости вращения указанного обода. Фиксаторные кольца 7 прижимают к крышкам 12. Прибор готов к работе.

Усилие на ободе рулевого колеса (силу трения) проверяют повертыванием обода за динамометрические рукоятки 1 из одного крайнего положения в другое. Происходит деформация пружин и вследствие этого – перемещение рукояток, а также – смещение фиксаторных колец по указанным рукояткам. Когда рукоятки отпускают, они возвращаются в исходное положение, а кольца  удерживаются на них благодаря силе трения. По положению визирной линии на кольце 7 относительно штрихов шкалы 2  на рукоятке 1 находят результат измерения – максимальное усилие на ободе рулевого колеса.

Для измерения суммарного люфта повертывают рулевое колесо сначала, например, по часовой стрелке, прикладывая к рукоятке 1 заданное (нормированное) усилие и в этом положении устанавливают нуль на люфтомере, вращая диск 6. При этом левый край пузырька 4 воздуха  совмещают с нулевой отметкой шкалы люфтомера – крайней риской на ампуле 5. После чего повертывают рулевое колесо в противоположном направлении, прикладывая к другой рукоятке такое же усилие. При вращении рулевого колеса ампула совершает переносное движение, а пузырек воздуха перемещается в ее полости под действием подъемной силы. Поэтому результаты измерений не зависят как от угла наклона обода рулевого колеса к горизонтальной плоскости, так и от диаметра указанного обода. По перемещению  пузырька 4 относительно соответствующей шкалы люфтомера –  рисок на ампуле 5 определяют люфт рулевого колеса.

При необходимости повторяют измерение с началом поворота обода рулевого колеса в противоположном направлении. Диагностирование завершено. Ослабляют винт 10 и снимают прибор с обода.

Покажем возможность применения измерительного элемента - ампулы в устройстве для диагностирования рулевого управления. При этом будем считать, что применение элемента возможно, если угол отклонения пузырька воздуха в продольной плоскости данного элемента от некоторого начального поло­жения соответствует или равен углу поворота обода рулевого колеса и не зависит как от диаметра обода, так и от угла его установки (наклона) к вертикальной плоскости [4].

Поставленная задача решена на основе физического и гидравлическо­го моделирования. Для этого на первом этапе построили диаграмму угловых положений обода рулевого колеса и пузырька воздуха в гидрав­лическом элементе при повороте колеса в вертикальной плоскости на 360° с интервалом 30° (рис. 2).

Пусть обод рулевого колеса 3 имеет некоторый радиус и размещен в вертикальной плоскости. К нижней точке обода 3 жестко присоединен гидравлический элемент в виде прозрачного кольца 2, полость которого заполнена подкрашенной жидкостью с оставленным пу­зырьком воздуха 1. Под действием подъемной силы согласно закону Ар­химеда [5] пузырек воздуха  займет верхнее положение в полости кольца. При этом вертикальные оси симметрии пузырька воздуха и обода 3 совпадают. Зафиксируем данное положение меткой 4 на кольце 2 в виде равнобедренного треугольника. Затем повернем, например по часовой стрелке, обод рулевого колеса  вокруг его оси вращения на 360°. В ре­зультате обод совершит вращательное движение, кольцо - переносное, а пузырек воздуха в его полости под действием подъемной силы совершит относительное вращательное движение. При повороте обода на один оборот по часовой стрелке пузырек  повертывается в полости кольца про­тив часовой стрелки точно на один оборот.

Рис. 2.  Диаграмма угловых положений обода рулевого колеса (в центре) и пузырька воздуха в кольце при повороте колеса в вертикальной плоскости на 360º с интервалом 30º:

1. пузырек воздуха;
2. кольцо;
3. обода рулевого колеса, имеющие радиус R₁ и R₂;
4. метка на кольце (цифрами обозначены градусы);
5. обода рулевого колеса, имеющие радиус R₁ и R₂

Таким образом, система обод-кольцо-пузырек вновь возвращается в исходное положение. Для нагляд­ности на рис. 2 представлено 12 положений обода рулевого колеса 3 через 30°. Откуда видно, что при повертывании обода колеса на заданный угол пузырек воздуха отклоняется от метки 4 ровно на такой же угол. Это явление наблюдают и при изменении радиуса обода рулевого колеса.

Так, при размещении кольца с пузырьком воздуха на ободе 5 (рис. 2), радиус которого равен R₂, и при повертывании обода на один и тот же угол положения пузырька воздуха в этом кольце совпадают с положениями в кольце, установленным на ободе 3, радиус которого R₁. Следовательно, угол отклонения пузырька воздуха в продольной плоскости гидравлического элемента от некоторого начального положения всегда ра­вен углу поворота обода рулевого колеса и не зависит от его диаметра (рис.3).

Рис. 3. Зависимость  положения α_п пузырька воздуха в продольном сечении кольца от угла α_к поворота обода рулевого  колеса  вокруг оси вращения

На втором этапе определили зависимость углового положения пу­зырька воздуха в поперечном сечении кольца от угла наклона обода рулевого колеса.

Пусть обод рулевого колеса 3 радиусом R  размещен вертикально (рис. 4,  плоскость І – І), под углом 30° к вертикальной плоскости (ІІ – ІІ), 60° -  (ІІІ - ІІІ) и горизонтально (ІҮ – ІҮ). К указанному ободу также жестко присоединен гидравлический элемент в виде кольца (на рис. 4 изображено поперечное сечение кольца 2). При из­менении угла наклона обода 3 рулевого колеса  к вертикальной плоскости пузырек 1 воздуха под действием подъ­емной силы всегда занимает верхнее положение (всплывает) в сечении кольца. В данном случае обод рулевого колеса 3 и кольцо 2 совершают враща­тельное (качательное) движение вокруг центра вращения, пузырек возду­ха  перемещается только в поперечном сечении относительно внутренней поверхности кольца.

Из рис. 4 видно, что если изменить наклон обода рулевого колеса, например на 30° к вертикальной плоскости, то пузырек воздуха переместится в поперечном направлении точно на 30° относительно метки 6. Кроме того, при изменении радиуса рулевого колеса мы получим тот же результат: положения пузырька воздуха  в сечении кольца  на обо­дах 3 и 5 радиусами R  и R  совпадают. Отсюда следует, что угол отклонения пузырька воздуха в поперечной плоскости (сечении) гидравлического эле­мента от некоторого начального положения равен углу наклона обода рулево­го колеса к вертикальной плоскости и также не зависит от диаметра колеса (рис. 5).

Рис. 4. Диаграмма угловых положений пузырька воздуха в поперечном сечении кольца, установленного на обод рулевого колеса, размещенного вертикально (в плоскости І – І), под углом 30º к вертикальной плоскости (ІІ – ІІ), 60º - (ІІІ - ІІІ) и горизонтально – (ІҮ – ІҮ):

1. пузырек воздуха;
2. сечение кольца;
3. обода рулевого колеса, имеющие радиусы соответственно  R₁ и R₂;
4. -
5. обода рулевого колеса, имеющие радиусы соответственно  R₁ и R₂;
6. метка в плоскости сечения кольца

Техническая характеристика опытного образца динамометра-люфтомера ДЛ-Г в сопоставлении с другими приборами представлена в таблице.

Предложенный прибор имеет простую, компактную и надежную конструкцию. Он удобен в работе: одна точка крепления – к ободу рулевого колеса – при помощи одного винта. Процесс диагностирования длится несколько секунд.

Прибор универсальный и может быть использован для оценки технического состояния рулевого управления колесных тракторов и комбайнов всех моделей, а также других аналогичных машин с управляемыми колесами – с любым диаметром обода рулевого колеса.

Применение прибора возможно как в полевых, так и гаражных условиях  в широком диапазоне температур окружающего воздуха.

По техническим характеристикам и эксплуатационным свойствам прибор превосходит не только механические, но и электронные аналогичные приборы. По габаритным размерам и массе он легко  вписывается в переносной  комплект инженера-инспектора гостехнадзора КИ-28007-ГОСНИТИ [6]. Прибор  в 5 раз, а при массовом выпуске в 10 и более раз дешевле электронного. При этом он обладает высокой эксплуатационной надежностью и не требует специального обслуживания.

Рис. 5. Зависимость углового положения β_п пузырька воздуха в поперечном сечении кольца от угла β_к наклона обода рулевого колеса к вертикальной плоскости

Измерительный элемент - герметичная ампула со спиртом - обладает идеальной сохраняемостью, а пузырек воздуха  способен в ней «жить и работать» бесконечно долго и всегда точно.

Теоретически доказано и экспериментально проверено, что результат измерений не зависит как от диаметра обода рулевого колеса, так и от его наклона к горизонтальной плоскости [2]. На точность прибора  также не влияет и скорость вращения рулевого колеса при измерении. Все это исключает его аппаратную погрешность.

Данный прибор прошел апробацию в органах ГИБДД и Гостехнадзора Иркутской области. Получены положительные результаты. В настоящее время проводим работу по постановке этого прибора на производство.

Основные технические характеристики приборов для проверки рулевого управления

Список литературы

1. Патент 2124713 РФ.  Динамометр с гидравлическим люфтомером для диагностирования рулевого управления / В.Н.Хабардин, С.В.Хабардин – Опубл. в Б.-н. № 1, 1999.
2. Патент 2161787 РФ.  Динамометр с гидравлическим люфтомером на диске для диагностирования рулевого управления / В.Н.Хабардин, С.В.Хабардин, А.В.Хабардин – Опубл. в Б.-н. №  1, 2001.
3. Патент 2163362 РФ. Динамометр-люфтомер с винтовым присоединительным устройством / В.Н.Хабардин, А.В.Хабардин, И.Н.Кистенев – Опубл. в Б.-н. № 5, 2001.
4. Хабардин В.Н., Хабардин С.В. Обоснование возможности применения гидравлического элемента в устройстве для диагностирования рулевого управления. / Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства в условиях Восточной Сибири. Сб. научн. тр., посвященных 65-летию ИрГСХА. – Иркутск: ИрГСХА, 1999.
5. Гидравлика и гидравлические машины / З.В.Ловкис, В.Е.Бердышев, Э.В.Костюченко и др. – М.: Колос, 1995.
6. Приборы и оборудование для государственных инспекций по надзору за техническим состоянием самоходных машин и других видов техники в Российской Федерации. Каталог. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2001.