Электропривод рулевого управления автомобиля

Устройство и принцип работы электроусилителя рулевого управления

Электроусилитель рулевого управления (ЭУР), как и любой другой усилитель, призван уменьшить усилие, прилагаемое водителем при воздействии на рулевое колесо, тем самым повышая уровень комфорта и легкость управления автомобилем. Дополнительное усилие создается за счет электрического привода. Отсутствие гидравлических элементов в системе повышает ее надежность и создает дополнительные возможности для реализации таких функций, как автоматическая парковка. В настоящей статье разберем, какие еще особенности есть у ЭУР, узнаем его устройство и принцип работы.

Функции и назначение

Аббревиатура EPS (Electric Power Steering) переводится как “электрический усилитель руля”, который является альтернативой гидроусилителю. Главное предназначение ЭУР – снижение усилия, прилагаемого водителем на рулевое колесо в процессе управления автомобилем.

К основным преимуществам электроусилителя в сравнении с гидроусилителем можно отнести:

• высокую надежность за счет отсутствия гидравлики: исключается вероятность появления утечек и других неисправностей, характерных для ГУР;
• более высокую точность и удобство регулирования рулевого управления;
• экономию топлива за счет того, что электроусилитель работает только во время поворота руля.

Разновидностью ЭУР является система адаптивного электроусилителя, работающая совместно с системой курсовой устойчивости. Она дает важные преимущества с точки зрения безопасности: корректирует углы поворота колес, повышая устойчивость автомобиля, а также компенсирует недостаточную или избыточную поворачиваемость автомобиля.

Преимущества устройства

1. Надежность.
2. Возможность реализации автоматического управления автомобилем.
3. Простота обслуживания и бесшумная работа.
4. Экологическая и технологичность безопасность.
5. Возможность управления транспортным средством в случае выхода системы из строя.
6. Обеспечение легкости и плавности рулевого управления.
7. Обеспечение соответствия между углами поворота управляемых колес и руля.
8. Обеспечение пропорциональности между силами сопротивления повороту колес и усилием на рулевом колесе.

Устройство ЭУР

Конструктивно ЭУР состоит из следующих элементов:

• электродвигатель (электромотор);
• механическая передача (редуктор);
• система управления.

Электрический двигатель

Именно электромотор, который, как правило, представлен асинхронным электродвигателем, приводит в движение электроусилитель руля. При этом существует несколько схем установки электродвигателя:

1. Электрический двигатель передает усилие на вал рулевого колеса.
2. Электрический мотор передает усилие на рулевую рейку.

В первом варианте конструкции электроусилитель встроен в рулевую колонку, и электрический двигатель осуществляет передачу крутящего момента на вал рулевого колеса посредством механической передачи.

Варианты установки электродвигателя

Наиболее востребованным считается второй вариант, который называют электромеханическим усилителем рулевого управления (ЭМУР). Варианты его конструкции могут быть представлены в виде усилителя руля с двумя шестернями или усилителя руля с параллельным приводом.

В ЭУР с двумя шестернями передача крутящего момента осуществляется от рулевого колеса на рейку рулевого механизма одной шестерней; на другую шестерню момент передается при помощи электрического мотора.

В ЭУР с параллельным приводом электромотор передает усилие на рейку рулевого механизма за счет ременной передачи или передачи винт-шариковая гайка.

Система управления

Система управления ЭУР состоит из:

• входных датчиков;
• электронного блока управления;
• исполнительного устройства.

• датчик угла поворота рулевого колеса;
• датчик крутящего момента на рулевом колесе.

Помимо этих элементов система управления ЭУР использует информацию, поступающую от блока управления ABS (колесные датчики скорости) и от блока управления двигателем (датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя).

ЭБУ обрабатывает сигналы датчиков, на основании которых дает команду начать работу исполнительному устройству, в роли которого как раз является электрический двигатель усилителя.

Принцип работы электроусилителя руля

Принцип работы электроусилителя руля следующий: при повороте водителем рулевого колеса происходит скручивание торсионного вала. Эту информацию блоку управления передает датчик крутящего момента. ЭБУ обрабатывает данные, соотносит их с показаниями других датчиков и вычисляет усилие, которое необходимо приложить, чтобы помочь водителю повернуть колеса. Электрический двигатель получает команду и воздействует на вал рулевой колонки либо на рулевую рейку.

Различают следующие режимы работы электроусилителя:

• поворот автомобиля в обычном режиме;
• поворот машины на большой скорости;
• поворот машины на малой скорости;
• возврат колес в среднее положение;
• поддержание колес в среднем положении.

Преимущества и недостатки электроусилителя руля

К основным преимуществам ЭУР относятся:

• экономия топлива – электрический мотор исключает необходимость отбора части мощности у двигателя;
• надежность за счет отсутствия гидравлической системы;
• обеспечение лучшей связи водителя с дорогой;
• компактность и простота обслуживания;
• удобство регулирования характеристик рулевого управления;
• возможность реализации автоматического управления.

К минусам устройства относятся:

• невозможность использования устройства на тяжелых грузовиках из-за его малой мощности;
• недостаточная влагозащищенность;
• высокая стоимость.

Неисправность EPS

Если на панели приборов загорелась контрольная лампа (значок, на котором находится руль с восклицательным знаком), то это говорит о неисправности EPS. Появление ошибки говорит о том, что электроусилитель не проходит самодиагностику при включении зажигания. Причиной неисправности могут быть множество факторов, например выход из строя какого-нибудь из датчиков, входящих в систему управления EPS. Хотя управлять автомобилем можно и без электроусилителя, но делать этого не стоит. Лучше обратится к специалистам.

Источник статьи: http://techautoport.ru/hodovaya-chast/rulevoe-upravlenie/elektrousilitel.html

Устройство и принцип работы электроусилителя руля

Одна из проблем, стоявших перед конструкторами с начала эпохи автомобилестроения – облегчить рулевое управление. Долгое время способ решения был один: увеличить диаметр руля и повысить передаточное отношение привода. Такой метод позволял относительно легко управляться даже с многотонными грузовиками. Требования к комфорту и эргономике почти не предъявлялись, поэтому то, что для маневрирования водителю приходилось делать 5-6 оборотов огромным рулем от края до края, во внимание не принималось. В наши дни инженеры нашли более изящный выход — электроусилитель руля.

Этот механизм при помощи электромотора создает вспомогательное усилие на рулевом валу при его повороте. Появился он относительно недавно и постепенно начинает вытеснять своих предшественников – гидро- и электро-гидроусилитель.

Устройство и принцип действия электроусилителя руля

Основными элементами системы являются бесщеточный электромотор, механическая передача (сервопривод), датчики угла поворота руля и крутящего момента и управляющий блок. Дополнительно механизм может оснащаться датчиком скорости вращения руля. Устройство сервопривода на разных типах автомобилей различается (подробнее об этом ниже).

Главный датчик в электроусилителе руля – датчик крутящего момента. Выполнен он следующим образом: в разрез рулевого вала встроен торсион, на концы которого устанавливаются элементы датчика, принцип действия которого может быть оптическим или магнитным.

Принцип работы электроусилителя руля следующий. С поворотом руля торсион на валу закручивается тем сильнее, чем больше прилагаемое усилие. Величина приложенного усилия оценивается по взаимному расположению частей датчика. Измеренное значение передается в блок управления. Второй датчик измеряет угол поворота руля и также передает измерения в управляющий блок, куда дополнительно поступают данные о скорости движения машины (от ABS системы) и оборотах двигателя (от контроллера). А на основании всей полученной информации, электронный блок управления рассчитывает величину вспомогательного усилия, и подает на электромотор напряжение нужной величины и полярности. Через сервопривод электродвигатель перемещает рулевую рейку или вращает рулевой вал.

При движении с небольшой скоростью, например, на парковке, когда приходится быстро поворачивать колеса из одного крайнего положения в другое, электромотор работает с максимальной мощностью, и обеспечивается так называемый «легкий руль». И наоборот, когда машина едет по трассе с высокой скоростью, руль поворачивается на небольшие углы, поэтому вспомогательное усилие минимально, руль получается более «тяжелым». Вдобавок, электроусилитель руля способен увеличивать реактивное усилие, которое возникает при повороте колес, помогая им вернуться в среднее положение.

Нередко возникает необходимость в поддержании среднего положения колес, например, при сильных порывах бокового ветра или неодинаковом давлении в шинах, в подобных ситуациях блок управления обеспечивает постоянное корректирующее усилие. В программном обеспечении системы заложена и компенсация увода переднеприводной машины в сторону из-за разной длины валов привода колес.

Конструкция электроусилителя руля

Несмотря на общее устройство, конструктивно электроусилитель руля может быть выполнен различными способами в зависимости от того, на каком типе автомобилей он устанавливается.

На автомобилях малого класса ЭУР устанавливается на рулевую колонку. Они не нуждаются в большом усилии на руле, поэтому электромотор и механическая передача получаются компактными и помещаются в салоне авто под рулевым колесом. Там же размещаются и датчики. В результате устройство надежно защищено от пыли, грязи и высокой температуры, царящих в подкапотном пространстве, что наилучшим образом сказывается на сроке службы.

У машин среднего класса электроусилитель руля размещается на рулевой рейке, вспомогательное усилие на которую передается через шестерню.

Внедорожники и микроавтобусы, из-за большой массы, нуждаются в большом вспомогательном усилии, поэтому на них устанавливается электроусилитель руля параллельноосевой конструкции. Электродвигатель передает усилие при помощи зубчатоременной передачи и механизма «винт-гайка на циркулирующих шариках». Зубчатый ремень вращает гайку, а та, в свою очередь, через шарики перемещает рулевую рейку. Шарики циркулируют по резьбе и возвращаются по специальному каналу в гайке.

Независимо от варианта исполнения, электроусилитель руля устроен таким образом, что даже в случае его выхода из строя автомобиль останется управляемым, поскольку сохранится прямая связь рулевого вала с рейкой.

Преимущества ЭУР перед ГУР и ЭГУР

Водители автомобилей, на которых установлен гидро- и электро-гидроусилитель, вынуждены мириться с их многочисленными недостатками, а именно:

• держать колеса в крайнем положении можно не более пяти секунд, иначе происходит перегрев масла в системе и выход ГУР из строя;.
• необходимость в периодическом обслуживании (нужно контролировать уровень масла, менять его, следить за состоянием приводов, шлангов и насоса);.
• на работу ГУР расходуется часть мощности двигателя автомобиля;.
• устройство работает в одном режиме, независимо от условий движения;.
• снижение информативности руля на высоких скоростях (частично этот недостаток устранен за счет применения рулевой рейки с переменным передаточным отношением).

Достоинствами электроусилителя руля являются надежность, экономичность и компактность. Его принцип действия основан на работе электромотора, поэтому и устройство намного проще. Электроусилитель руля приводится в действие не от силового агрегата автомобиля, к тому же работает только при работе рулем, благодаря этому экономится от 0,4 до 0,8 литра горючего в зависимости от стиля езды и дорожных условий. Электроусилитель руля не требует обслуживания, однако, в случае поломки неисправные узлы меняются целиком, поэтому стоимость ремонта значительно возрастает.
» alt=»»>
Пожалуй, самым главным преимуществом электроусилителя руля, можно считать возможность изменять вспомогательное усилие в зависимости от условий передвижения автомобиля, благодаря чему, достигается более острое управление на высоких скоростях, и более легкое на малых. Кроме того, одна и та же модель может применяться на различных машинах, а все, что потребуется – изменить настройки электронного блока управления.

Источник статьи: http://znanieavto.ru/rulim/elektrousilitel-rulya.html

Глава 2. Рулевые электроприводы.

1. Назначение и классификация рулевых приводов.

Под рулевым приводом принято понимать механизм для передачи движения к рулю. Рулевые приводы можно разделить по ряду признаков.

По назначению привод может быть основным, запасным и аварийным.

В зависимости от рода используемой энергии различают ручной и электрифицированный привод.

По принципу управления электрифицированные приводы разделяют на три типа :

— простого дистанционного действия, осуществляемого посредством кнопок, педалей или рычагов, положение которых не соответствует положению пера руля;

— следящего действия, осуществляемого с помощью рычагов и штурвала, положение которых строго соответствует положению пера руля;

— автоматического действия, выполняющие автоматическую стабилизацию судна на курсе, автоматический переход на новый курс и программное управление курсом по наперед заданному закону. Автоматические системы имеют резервное управление простого и следящего типов.

По типу передаточного механизма привод можно разделить на две группы:

— с механической передачей – РЭМ приводы;

— с гидравлической передачей – РЭГ приводы.

Рулевые приводы с механической передачей бывают штуртросовые, валиковые, винтовые и секторные.

Штуртросовые Валиковые Винтовые

Рассмотрим принцип действия и устройство секторной рулевой машины.

1- перо руля; 2- баллер; 3- румпель; 4- пружина; 5- сектор с зубчатой насечкой; 6- цилиндрическая шестерня; 7- вал; 8- червячная пара; 9- муфта; 10- электродвигатель

Баллер – вертикальный вал, закрепленный в подшипниках. Снизу к нему крепится перо руля, сверху свободно надевается сектор и жестко, шпонками, крепится румпель. Усилия от сектора к румпелю передается при помощи демпферных пружин, предназначенных для компенсации ударной нагрузки. Между ЭД и сектором стоит редуктор, представленный на чертеже червячной парой и цилиндрической шестерней, находящейся в зацеплении с сектором. Червячная пара – обязательный элемент редуктора, так как с его помощью легче и проще всего сделать передачу самотормозящейся, что требует Регистр. Передача становится самотормозящейся при КПД h

Секторные рулевые машины подразделяются на пять типов:

1 тип – машины одинарные «морские» с одним электродвигателем и червячным редуктором основного привода. Запасный привод автономный, действует на баллер руля независимо от основного, выполнен отдельно.

2 тип – машины одинарные «речные» с одним электродвигателем основного привода, одним ЭД запасного привода и дифференциальным редуктором Федорицкого, состоящего из двух червячных передач и конических шестеренок. Основной ЭД подсоединен к одному червяку, запасный, через дополнительный редуктор, ко второму червяку. Червячные колеса выполнены заодно с коническими шестернями, которые передают усилие на баллер через сателлиты. При работе одного двигателя, второй заторможен.

3 тип – машины одинарный «морские» с двумя электродвигателями и червячным редуктором основного привода. Запасный привод не предусматривается.

4 тип – тоже «речные».

Машины 1-4 типов предназначены для обслуживания одного и двух рулей.

5 тип – машины сдвоенные «речные», состоящие из двух одинарных машин 2 типа, у которых ЭД основного привода имеют два выходных конца вала: один подсоединен к хвостовику червяка редуктора, а другие концы, обращенные к диаметральной плоскости, соединены между собой при помощи электромагнитной муфты, допускающей раздельную работу одинарных рулевых машин.

Рулевые электрические приводы с гидравлической передачей (РЭГ — приводы) классифицируются по целому ряду признаков:

По типу гидропривода бывают: плунжерные, лопастные, с качающимися цилиндрами, реечно-плунжерные и т.д.

По типу насосов – с насосами переменной подачи и с насосами постоянной подачи;

По типу сервоприводов – постоянного, переменного тока, электромагнитный привод;

По типу дифференциалов кинематики сервопривода – рычажные, кулачковые, электрические и т.д.

Рассмотрим принципиальную схему, состав и работу плунжерного гидропривода, где:

1 – цилиндр 2 – плунжер 3 – баллер 4 – румпель 5 – поворотная муфта с цапфами 6 – ползуны 7 – направляющие 8 – предохранительный клапан 9 – клапанная коробка 10 – дроссельный клапан 11 – главная клапанная коробка 12 – насос переменной подачи 13 – насос постоянной подачи 14 – электродвигатель 15 – цистерна 17 – рычажный дифференциал 18 – пружина.

Плунжерные гидроприводы могут быть в зависимости от момента на баллере с одной или двумя парами цилиндров. При четырех цилиндрах вторая пара располагается с другой стороны баллера, симметрично. Цилиндры могут располагаться параллельно и перпендикулярно диаметральной плоскости судна. Плунжерные гидравлические машины выполняются одно- и двухрулевые.

У рассматриваемой двухцилиндровой плунжерной рулевой машины цилиндры 1 установлены на фундаменте в направляющей 7. Выходы цилиндров 1 имеют уплотнения (кожаные или из маслостойкой резины). В месте утолщения плунжерной пары установлена поворотная муфта 5 свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси на цапфах. В муфту входит цилиндрический хвостовик румпеля 4. При перемещении плунжеров происходит поворот баллера руля, сопровождающийся скольжением хвостовика румпеля в муфте, а также поворотом муфты. Боковые усилия, возникающие в плунжерной паре, через ползуны 6 воспринимаются направляющей 7.

Перекладка пера руля (поворот румпеля) происходит за счет избыточного давления в одном из цилиндров, которое создается насосом переменной подачи 12, перекачивающим масло из одного цилиндра в другой. Величина давления в цилиндрах определяется моментом сопротивления на баллере. При динамических нагрузках и возникновении давления выше допустимого срабатывает предохранительный клапан 8 и перепускает масло во всасывающую полость. Главная клапанная коробка 11 автоматически подключает работающий насос (их может быть два – основной и резервный, или основной и запасный, может быть три – два основных и один запасный). У четырехцилиндровых машин она позволяет отсечь неисправные два любых цилиндра и осуществлять работу на оставшихся цилиндрах. Насос постоянной подачи 13, дроссельный клапан 10 и клапанная коробка 9 создают подпор p = 0,3 ÷ 0,5 МПа для исключения подсасывания воздуха, при провале давления во всасывающем трубопроводе. В некоторых установках вместо них устанавливается подпорный бак.

В приводе используется главным образом управление следящего действия. Рассмотрим его работу на примере ручного управления с рычажным дифференциалом. Так при повороте рычага управления 16 влево нижний конец рычага 17 переместится в точку b, конец манипулятора насоса 12 переместится в точку d. Возникает эксцентриситет, и масло из правого цилиндра будет перекачиваться в левый, плунжер будет перемещаться вправо до тех пор, пока конец манипулятора не вернется в точку c и насос будет работать с нулевой подачей. Полный эксцентриситет возникает обычно при задании 5 0 ; больший угол перекладки пера руля воспринимается пружиной e — f.

Отечественной промышленностью выпускаются плунжерные гидравлические машины типов Р11 – Р20 с одним или двумя маслеными насосами регулируемой подачи с электроприводом. Указанные машины способны развивать момент на баллере 63 – 1000 кН•м.

2. Требования Правил Российского Речного Регистра к рулевому устройству.

1) Общие указания

– рулевым устройством должны быть оборудованы все самоходные суда;

– рулевой привод должен обеспечивать непрерывное управление судном в условиях эксплуатации, в том числе при отказе основного привода или отключении основного источника питания;

– перо руля и поворотная насадка не должны выступать за габариты судна;

– расположение руля и поворотной насадки должно исключать их повреждение от удара о грунт, при плавании судна с небольшим расчетным дифферентом на корму.

2). Комплектация рулевых устройств рулевыми приводами.

– рулевое устройство судна должно иметь два привода: основной и запасный. Запасный привод не требуется на судах с несколькими рулями или насадками, приводимыми в действие раздельно управляемыми машинами;

– основной и запасный рулевые приводы должны быть устроены так, чтобы повреждение одного из них не выводило из строя другой. Допускается при этом иметь общие детали силового привода на баллер (румпель, сектор, цилиндровый блок);

– система управления основным рулевым приводом должна быть независимой от системы управления запасным рулевым приводом. Допускается иметь общий штурвал или рукоятку управления;

– запасный рулевой привод должен обеспечивать перекладку руля или поворотной насадки на тот же максимальный угол, что и основной;

– посты управления основным и запасным рулевыми приводами должны быть оборудованы указателями положения руля (поворотной насадки).

3) Рулевые приводы:

– рулевые приводы должны обеспечивать непрерывную работу при постоянном крене до 15 0 и дифференте до 5 0 . Двигатели рулевых приводов должны допускать перегрузку по моменту, равному 1,5 расчетного крутящего момента в течение 1 минуты;

– мощность основного рулевого привода должна быть достаточной для перекладки руля на угол от 35 0 одного борта до 35 0 другого борта за время не более 30 секунд при максимальной скорости переднего хода судна и осадки по грузовую ватерлинию;

– мощность запасного механическогорулевого привода должна быть достаточной для перекладки руля на угол от 20 0 одного борта до 20 0 другого борта за время не более 60 секунд при скорости переднего хода 0,6 наибольшей и осадке его по грузовую ватерлинию;

– рулевой привод должен быть самотормозящейся конструкцией;

– если основной и запасный привод гидравлические, то каждый из этих приводов должен иметь насос с независимым двигателем, а трубопроводы приводов должны быть проложены как можно дальше друг от друга.

4) Электрический привод руля.

4.1 Электрический привод рулевого устройства должен обеспечивать:

– перекладку с борта на борт за время и угол, как указано выше;

– непрерывную перекладку руля с борта на борт в течение 30 минут для каждого агрегата при полностью погруженном руле и максимальной скорости переднего хода;

– возможность стоянки электродвигателя под током в течение 1 минуты с нагретого состояния (только для рулей с непосредственным электрическим приводом);

– начальный пусковой момент двигателя рулевого устройства с непосредственным электрическим приводом должен быть не менее 200 % номинального;

– при ходе судна по курсу не менее 350 включений в час при перекладке руля на 5 – 6 градусов, наибольшей эксплуатационной скорости переднего хода и непрерывной работе в течение 1 часа.

4.2. В схеме управления рулевого электрического привода должны быть предусмотрены конечные выключатели, ограничивающие перекладку руля или насадки на левый и правый борт. При срабатывании одного из них должна обеспечиваться возможность перекладки руля в обратном направлении.

4.3 Пусковые устройства должны обеспечивать повторный автоматический запуск ЭД при восстановлении напряжения после перерыва в подаче питания.

4.4. Для ЭД электрического или электрогидравлического рулевого устройства должно предусматриваться устройство защиты только от токов короткого замыкания.

Защита от минимального напряжения и перегрузки не допускаются. Вместо защиты от перегрузки должна быть установлена сигнализация.

4.5 Автоматические выключатели, защищающие электрические двигатели постоянного тока рулевых устройств от токов короткого замыкания, должны иметь уставки на мгновенное выключение при токе не менее 300 % и не более 400 % номинального тока защищаемого электрического двигателя, а для двигателей переменного тока – уставки на мгновенное выключение при токе более 125 % наибольшего пускового тока защищаемого двигателя.

4.6 У постов управления главными механизмами (при их наличии) и в рулевой рубке у поста управления рулем или в самом пульте управления должны быть устройства, сигнализирующие о наличии напряжения в цепи питания рулевого устройства, его перегрузке и отключении, а для гидравлических систем – по минимальному уровню масла в расходной цистерне.. Сигнал о перегрузке и отключении должен быть световым и звуковым.

5) Питание электрических приводов рулевых устройств.

– основной и запасный рулевые приводы должны получать питание по отдельным фидерам;

– каждый фидер должен быть рассчитан на питание всех электродвигателей, которые подключены к нему и работают одновременно;

– если аварийный источник электрической энергии имеет одинаковые напряжение и род тока с основным источником энергии, то один фидер идет от ГРЩ, второй от АРЩ. Фидеры прокладываются по разным бортам;

– аварийный источник электрической энергии должен обеспечить питание в течение не менее 6 часов пассажирских и грузопассажирских судов класса «М», не менее 3 часов судов класса «О», «Р», «Л»;

– время перехода с основного источника питания на аварийное должно составлять не более 15 секунд.

Рули и поворотные насадки.

3.1. Классификация рулей и поворотных насадок

Рули бывают активные и пассивные.

Активные рули обеспечивают управляемость судна без хода и на малых скоростях, когда обычные рули не эффективны. В их качестве могут применяться:

– перьевые рули с встроенными винтами и электродвигателями;

– поворотные насадки с раздельным управлением;

Пассивные рули обеспечивают управляемость судна на ходу. К ним относятся перьевые рули и поворотные насадки при совместном управлении.

По конструкции различают:

По количеству опор рули бывают подвесные, одноопорные и многоопорные.

По форме контура пера руля различают прямоугольные и произвольной формы, часто повторяющие очертания кормовой оконечности судна.

По расположению оси вращения рули подразделяются на:

Рассмотрим на примере плоских рулей прямоугольной формы:

S – площадь пера руля;

S₁ – площадь выступающей части пера руля;

h – высота пера руля;

h₁ – высота выступающей (балансирной) части пера руля;

b – ширина пера руля – расстояние от набегающей кромки до кормовой оконечности пера руля;

b₁ – ширина балансирной части руля – расстояние от набегающей кромки до оси вращения.

Простой руль. Для упрощения расчетов считают, что набегающая кромка пера руля совпадает с осью вращения.

Полубалансирный руль, когда высота выступающей (балансирной) части не равна высоте пера руля:

Балансирный руль, когда высота балансирной части равна высоте руля.

Балансирный и полубалансирные рули характеризуются коэффициентом компенсации, под которым понимают отношение площади выступающей части к полной площади пера руля:

Для балансирных рулей:

Число рулей на судне может быть 1, 2, 3, 4 и т.д. Они устанавливаются как за винтами, так и между ними. Наиболее эффективны рули при установке за винтами.

Поворотные направляющие насадки.

По конструкции различают:

– насадки без стабилизатора;

– с неподвижным стабилизатором;

– с управляемым стабилизатором.

По числу опор бывают насадки подвесные и насадки с одной опорой на пятке.

По длине окружности охвата винта насадки бывают полные и неполные.

Полная направляющая насадка представляет собой кольцевое крыло, имеющее в продольном сечении форму аэродинамического профиля и охватывающее с минимальным зазором гребной винт.

Из опыта проектирования и эксплуатации установлены оптимальные размеры:

Дн ≤ 1,02 Дв; lн = (0,7 ÷ 0,9) Дв

Поворотные насадки характеризуются коэффициентом раствора α_н и коэффициентом расширения β_н.

Особенность действия насадки, по сравнению с простым рулем, возникновение гидродинамических сил, стремящихся повернуть насадку на больший угол по отношению к набегающему потоку.

Для компенсации вращающего момента этих сил устанавливается стабилизатор, высота стабилизатора h_СТ = Д_ВЫХ , длина l_СТ = 0,6 Д_Н (при увеличении длины стабилизатора возрастает момент заднего хода М_З.Х. на баллере, при уменьшении – ухудшается устойчивость судна на курсе).

Применение поворотных насадок (ПН) улучшает условия работы двигателя:

– повышается КПД, так как увеличивается площадь сечения струи винта при прочих равных условиях(частота вращения, упор). Так у буксиров поворотные насадки увеличивают тягу на гаке на 50 % на швартовах, на 20 – 30 % при ходе с составом и может увеличиться скорость порожнем;

– улучшаются условия работы винта при волнении из-за демпфирующего свойства ПН;

– уменьшается качка судна и уменьшаются перепады нагрузки на главных двигателях.

На быстроходных судах ПН не применяют из-за повышенного лобового сопротивления.

3.2. Действие потока воды на перо руля. Поворачивающий судно момент.

При прямолинейном движении судна и отклонении руля от диаметральной плоскости (ДП) на угол α (будем считать равным углу атаки, то есть углу, под которым поток набегает на плоскость пера руля) на пере руля под действием набегающего потока воды возникают силы давления. Поле сил давление может быть представлено равнодействующей силой Р, нормальная составляющая которой Р_n направлена перпендикулярно продольной оси пера руля.

Разложим Р_n на составляющие:

Р₂ = P_n • sinα – продольная составляющая, лежащая практически в диаметральной плоскости. Может быть перенесена в центр тяжести судна. Отсюда видно, что она оказывает дополнительное сопротивление движению судна.

Р₁ = P_n • cosα – поперечная составляющая .

Поместим в центр тяжести судна взаимно уравновешивающиеся силы Р′ и Р″, равные и параллельные силе Р₁. Силы Р₁ и Р′ составляют пару сил, плечо которой можно считать приблизительно равным половине длины судна L. Они образуют момент, поворачивающий судно в сторону перекладки руля.

Сила Р″ называется силой дрейфа. Она сносит судно боком во внешнюю сторону описываемой им дуги и создает, из-за наличия метацентрической высоты, крен судна.

Установлено, что нормальная составляющая Р_n пропорциональна площади пера руля, квадрату скорости потока воды из под винтов (скорости движения судна) и sinα.

где: S – площадь пера руля, м 2 ;

V – скорость судна, м/с;

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от угла перекладки, от обводов корпуса судна, глубины акватории.

Для различных типов рулей значения коэффициента k устанавливаются экспериментально и задаются в виде графиков и таблиц.

Для прямоугольных плоских рулей проф. Полонский предложил аналитическое выражение для коэффициента k:

[кН]

[кН•м]

Это выражение имеет максимум при 0 0 . Если взять производную по углу α и приравнять к нулю, то получим:

При решении найдем, что максимальный момент будет при α = 35,9 0 .

Следовательно, для эффективного поворота судна прикладывать руль на больший угол нет необходимости.

Отсюда и требования Регистра – перекладка руля от 35 0 одного борта до 35 0 другого за время менее 30 с.

Источник статьи: http://infopedia.su/15x235a.html