В настоящее время проблема надежности узлов и систем автомобиля очень актуальна. Надежность рулевого привода является одной из составляющих надежности автомобиля в целом.

Шарнирные соединения рулевых тяг автомобилей являются основным элементами, регламентирующими надёжность рулевого привода [2]. Рабочие процессы в них характеризуются значительным количеством циклов относительного скольжения элементов шарнира. При этом особую важность приобретает фактор, учитывающий переход трения покоя в трение скольжения, когда преодолеваются "точки покоя". Последнее обстоятельство является причиной увеличения интенсивности изнашивания шарнира, несмотря на некоторое её ослабление из-за нестационарности процесса нагружения рулевого привода.

Для автомобилей с независимой передней подвеской нагружение рулевых шарниров определяется тремя факторами: рулевыми воздействиями водителя, колебаниями колёс относительно оси поворотной стойки и колебаниями подвески. При этом скорость движения способствует увеличению интенсивности возбуждений и при возрастании становится фактором, определяющим частоту и амплитуду колебаний колёс.

Из практики технической эксплуатации автомобилей известно, что наибольший износ имеют шарнирные соединения рычагов поворотных цапф и боковых рулевых тяг (крайние рулевые шарниры). Основная причина в том, что эти шарниры соединяют без упругих элементов неподрессоренную массу колёсного узла передней подвески и подрессоренную массу кузова. Это определяет интенсивные динамические нагрузки на элементы шарнира, частично воспринимаемые его пружиной.

Анализируя пространственное скольжение элементов рулевых шарниров, следует отметить, что характеристикой рабочих процессов являются путь трения и скорость относительного скольжения. Используя методику Фоллерта Людера для шарниров автомобилей МАЗ, и рассмотрев дополнительно процесс относительного перемещения элементов шарнира от колебаний подвески для исследуемых моделей, определим суммарный путь трения, отнесённый к площади трения с диаметром, равным диаметру шарового пальца, на 1000 км пробега для автомобилей ВАЗ.

Путь трения в случае имитации процесса основных угловых перемещений управляемых колёс случайной последовательностью, имеющей место от рулевых воздействий водителя, может быть определён:

,

(20)

где  - среднестатистический угол поворота шарового пальца, град;

d - диаметр шарового пальца, мм.

Путь трения в случае имитации процесса основных угловых перемещений управляемых колёс гармоническим процессом, имеющем место при колебаниях управляемых колёс относительно оси поворотной стойки и при колебаниях передней подвески, может быть определён :

,

(21)

где n - число колебаний на 1 км пути;

 - угол размаха, град.

Так, относительная величина пути трения при движении на булыжном шоссе со скоростью 8,4 м/с определена следующим образом:

а) от рулевых воздействий водителя:

;

б) от колебаний колес относительно оси поворотной стоки:

;

в) от колебаний передней подвески:

.

Результаты расчёта сведены в таблице 1. Исходные данные взяты из работы Гольда Б.В. [3], получены экспериментально.

Характеристикой рабочих процессов в рулевом шарнире является также, скорость относительного скольжения его элементов. Известно [6], что главными механизмами нарушения работоспособности рулевых шарниров являются окислительное, абразивное изнашивание и усталостное выкрашивание поверхностей трения. Кинематической характеристикой этих механизмов является средняя скорость скольжения шарового пальца в наконечнике рулевой тяги:

.

(22)

Таблица 1 Результаты расчёта относительных величин пути трения и скорости скольжения элементов шарниров рулевых тяг автомобилей ВАЗ-2105

Характер нагружения рулевых шарниров	Скорость движения, м/с	Тип дорожного покрытия	Исходные данные для расчета	Относительная величина пути трения, м/1000 km	Относительная скорость скольжения, мм/с
Рулевое воздействие водителя	8,4	асфальтобетон	nk = 18, 4,8  = 8° 20	13,26	1,45
	(30)	булыжное шоссе	nk = 18, 11,5  = 8° 20	31,77	3,46
	16,8	асфальтобетон	nk = 5, 4,8  = 2° 20	0,92	0,12
	(60)	булыжное шоссе	nk = 5, 11,5  = 2° 20	2,21	0,29
Колебания колёс вокруг оси поворотной стойки	8,4	асфальтобетон	fk = 4, 1/c  = 0,1°	36,84	57,84
	(30)	булыжное шоссе	fk = 12, 1/c  = 0,1°	110,52	173,52
	16,8	асфальтобетон	fk = 2,5 1/c  = 0,15°	17,23	27,11
	(60)	булыжное шоссе	fk = 8, 1/c  = 0,15°	55,14	86,76
Колебания передней подвески	8,4	асфальтобетон	fk = 3, 1/c  = 2,8°	386,04	1214,64
	(30)	булыжное шоссе	fk = 8, 1/c  = 2,8°	1031,59	3239,03
	16,8	асфальтобетон	fk = 1,6 1/c fk = 3, 1/c  = 2,8° = 3,6°	102,95	416,45
	(60)	булыжное шоссе	fk = 3,5 1/c  = 3,6°	225,20	910,98

Максимальная скорость относительного перемещения трущихся деталей зависит от параметров и кинематики рулевого привода и может быть определена по рекомендации Фоллерта Людера:

,

(23)

где  - угловая скорость вращения шарового пальца;

 - максимальная амплитуда отклонения.

Результаты расчёта относительной скорости скольжения шарового пальца в наконечнике для рассматриваемых условий приведены в таблице 1.

В этих условиях особую важность приобретает оптимальная жёсткость осевой пружины рулевого шарнира, которая должна превышать инерционные усилия, возникающие от массы рулевых тяг при движении с колебаниями.