Устройство рулевого механизма (гидроусилитель руля и рулевой механизм)
В этой статье мы рассмотрим особенности двух наиболее распространенных типов рулевого механизма:
реечный рулевой механизм и рулевой механизм с шариковой гайкой.
Также мы поговорим о рулевом управлении с гидроусилителем и узнаем о интересных технологиях развития систем рулевого управления, способных увеличить экономичность.
Возможно, вы удивитесь, узнав, что при повороте колеса на передней оси производят различную траекторию (что обеспечивает легкий поворот). Следовательно, внутреннее колесо (ближайшее к повороту) должно быть повернуто больше, чем внешнее. Как было сказано ранее, существует реечный рулевой механизм и рулевой механизм с шариковой гайкой.
�� Реечный рулевой механизм
Реечный рулевой механизм получает широкое применение на легковых автомобилях, малых грузовиках и внедорожниках. Этот тип рулевого механизма — самый простой и легкий. Шестерня на рулевом валу сцеплена с зубчатой рейкой. Когда вы поворачиваете руль, шестерня начинает вращаться и приводит рейку в движение.
Рулевой наконечник на конце рейки соединяется с рулевой сошкой на шпинделе (см. картинку выше). Функция зубчатой рейки с шестерней заключается в обеспечении передаточного отношения, которое облегчает поворот колеса. Большенство автомобилей устроены так, что потребуется от трех до четырех полных оборотов руля, чтобы развернуть колеса на 180 градусов. Передаточное отношение рулевого механизма — это отношение градуса поворота руля к градусу поворота колес. Например: допустим, один полный оборот руля (360 градусов) поворачивает колесо на 20 градусов, тогда передаточное отношение рулевого механизма — 18:1 (360 разделить на 20).
Чем выше соотношение, тем больше градус поворота руля и тем меньше усилий нужно приложить. Как правило, у легких спортивных автомобилей передаточное отношение рулевого механизма более низкое, чем у крупных автомобилей и грузовиков. При низком передаточном отношении рулевого механизма вам не нужно с усилием крутить руль чтобы выполнить поворот. Таже существуют автомобили с переменным передаточным отношением рулевого механизма. В этом случае у зубчатой рейки с шестерней разный шаг зубьев (количество зубьев на дюйм) в центре и по бокам, как следствие, автомобиль реагирует на поворот быстрее.
Когда зубчатая рейка находится в системе рулевого управления, представляется следующая картина. В рейку помещен цилиндр с поршнем с отверстиями на концах. Усилитель перемещает жидкость под высоким давлением с одного конца поршня в другой, заставляет его (поршень) перемещаться, который в свою очередь заставляет перемещаться рейку.
�� Рулевой механизм с шариковой гайкой
Рулевой механизм с шариковой гайкой можно встретить на многих грузовиках и внедорожниках. Эта система несколько отличается от системы реечного рулевого механизма. В рулевом механизме с шариковой гайкой есть так называемый червяк.
Мысленно можно разделить червяка на две части. Первая часть представляет собой металлически блок с резьбой (зубьями), который приводит во вращение рулевую сошку (см. рисунок выше). Рулевое колесо соединено с резьбовым стерженем, похожим на болт, прикрепленный к блоку. Когда рулевое колесо вращается, болт поворачивается вместе с ним. Вместо того, чтобы закручиваться в блок, как обычные болты, этот болт закреплен так, что, когда он вращается, он движет блок, который в свою очередь движет червяка.
Болт не соприкасается резьбой с блоком, поскольку она заполнена шарикоподшипниками, циркулирующими по механизму и уменьшающими трение, износ и замусоривание. Если в рулевом механизме не будет шариков, на какое то время зубья не будут соприкасаться друг с другом и вы почувствуете что руль потерял жесткость. Гидроусилитель в рулевом механизме с шариковой гайкой функционирует точно так же, как и в реечном рулевом механизме. Сейчас мы рассмотрим дугие компоненты рулевого управления.
Гидроусилитель состоит из насоса и поворотного клапана. Лопастной насос снабжает рулевой механизм гидравлической энергией (см. диаграмму ниже).
С помощью ремня и шкива двигатель приводит насос в действие. Насос снабжен набором лопаток, вращающихся внутри овальной камеры. Вращаясь, лопатки перемещают гидравлическую жидкость, находящуюся под низким давлением, из возвратной трубки в выпускное отверстие (давление увеличивается). Сила потока зависит от количества оборотов двигателя автомобиля. Насос должен обеспечивать нужный напор и при работе двигателя на режиме холостого хода.
В результате, насос перемещает большее количество жидкости, когда двигатель работает на более высоких скоростях. Насос имеет предохранительный клапан, который помогает регулировать давление, особенно при высоких оборотах двигателя, когда перекачивается большой объем жидкости.
Система управления с гидроуселителем должна функционировать только тогда, когда водитель прилагает усилия при повороте рулевого колеса. Если водитель не прилагает усилий (например, при движении по прямой), система не должна работать. Устройство, которое реагирует на увеличение прилагаемой силы при повороте руля называется поворотным клапаном. Неотъемлимой частью поворотного клапана является торсион.
Торсион представляет собой тонкий металлический стержень, который закручивается под действием крутящего момента. Один конец торсиона соединен с рулевым колесом, а второй с шестерней или червяком (который задействован при повороте колес), при этом число оборотов крутящего момента в торсионе равно числу оборотов крутящего момента, необходимого для поворота колеса. Чем больше крутящий момент, необходимый для поворота колеса, тем больше закручивается торсион.
Входной вал формирует внутреннюю часть золотникового клапана, который также соединяется с верхней частью торсиона. Нижняя часть торсиона подсоединяется к внешней части клапана. Торсион также связан с рулевым механизмом, соединенным либо с шестерней, либо с червяком ( в зависимости от типа руля ). Закручиваясь, торсион вращает внутреннюю часть золотникового клапана, внешняя остается неподвижной. Поскольку внутренняя часть клапана также соединена с рулевым валом (а, следовательно и рулем), количество оборотов внутренней части клапана зависит от количество оборотов рулевого колеса.
Когда руль неподвижен, по обеим гидравлическим трубкам к рулевому механизму поступает одинаковый объем давления. Но если золотниковый клапан повернут — каналы открыты и через них к гидравлическим трубкам под высоким давлением поступает жидкость. Как показывает практика, этот тип системы рулевого управления довольно нерациональный.
�� Что ждет рулевое управление с гидроусилителем завтра?
Поскольку насос рулевого механизма с гидроусилением на большинстве автомобилей непрерывно перекачивает жидкость, он расходует мощность и переводит топливо. Возможно, в связи с этим, вы ожидаете появления ряда новшеств, которые позволят улучшить экономию топлива. Одной из самых удачных идеи является система с компьютерным управлением. Эта система полностью исключает механическую связь между рулевым колесом и рулевым механизмом, заменив ее электронной системой управления.
Фактически руль работает так же, как тот, что предназначен для компьютерных игр. Руль снабдят датчиками, которые будут подавать сигнал автомобилю о направлении движения колес и моторами, обеспечивающими обратную реакцию на действия автомобиля. Мощность этих датчиков будет использоваться для управления рулевого механизма с электроприводом, в этом случае рулевой вал не нужен и места в моторном отсеке становится больше.
General Motors представил концепт-кар Hy-wire, на котором уже установлена такая система. Самое примечательное в системе с электронным управлением автомобиля от GM то, что вы можете настроить управляемость автомобиля с помощью новго компьютерного программного обеспечения. В автомобилях с электронным управлением будущего вы сможете подстроить систему контроля под себя, достаточно лишь нажать несколько кнопок. Все очень просто! За последние пятьдесят лет система рулевого управления не сильно изменились. Но в следующем десятилетии наступит эпоха более экономичных автомобилей и более комфортной езды.
Устройство автомобилей
Приводом (силовым приводом) в механике называют совокупность устройств, предназначенных для приведения в действие механизмов и машин. В общем случае силовой привод служит для дистанционного управления исполнительным органом машины, передавая ему усилие, прикладываемое к органам управления.
Рулевой привод обеспечивает кинематическую связь рулевого механизма и управляемых колес. Он должен преобразовывать вращение вала рулевого механизма или поступательное движение рейки во вращение управляемых колес вокруг вертикальной оси для совершения автомобилем маневра.
В рулевой привод входят все детали, передающие усилие от рулевого механизма к управляемым колесам. Иными словами, все, что находится между рулевым механизмом и управляемыми колесами, относится к рулевому приводу.
Обязательным элементом рулевого привода является рулевая трапеция ( рис. 2 ), обеспечивающая поворот управляемых колес на различные углы.
Элементы рулевого управления автомобиля представлены на рис. 3 здесь (страница откроется в отдельном окне браузера). Воздействие на рулевую трапецию осуществляется механическим приводом, состоящим из сошки 11, продольной рулевой тяги 10 и поворотных рычагов 7.
Требования к рулевому приводу
К рулевому приводу предъявляют следующие требования:
- обеспечение правильного соотношения углов поворота управляемых колес;
- исключение или уменьшение автоколебаний управляемых колес;
- исключение самопроизвольного поворота управляемых колес при колебании автомобиля на подвеске.
Самопроизвольный поворот ("рыскание") управляемых колес может иметь место из-за несогласованности кинематики перемещения подвески и продольной рулевой тяги. При расположении рулевого механизма, как показано на рис. 1, б , вертикальное перемещение передней оси неизбежно приведет к продольному перемещению тяги и повороту колес. Значительно лучше кинематическое согласование достигается при компоновке рулевого управления перед передней осью ( рис. 1, а ).
Одно из требований безопасности – отсутствие зазоров в шарнирах привода. По способу устранения зазора шарниры привода могут быть саморегулируемые, с периодической ручной регулировкой и нерегулируемые.
Саморегулируемые шарниры не требуют регулировок в процессе эксплуатации – появляющийся в результате изнашивания деталей зазор устраняется поджиманием сухарей к головке рулевого пальца с помощью пружины.
Периодически регулируемые шарниры имеют в конструкции специальную резьбовую пробку, затяжка которой устраняет зазоры между деталями.
Нерегулируемые шарниры используют на автомобилях, колеса которых поворачиваются только вокруг вертикальной оси. Эти шарниры проще по конструкции и дешевле в изготовлении, но менее долговечны.
Кроме того, в конструкциях рулевых приводов легковых автомобилей широко применяются нерегулируемые шарниры с вкладышами из синтетических материалов, хорошо противостоящих изнашиванию и обладающих низким коэффициентом трения.
Основные параметры рулевого привода
Основным оценочным параметром рулевого привода являются общее угловое передаточное число Uрп рулевого привода и КПД рулевого привода.
Общим угловым передаточным числом (кинематическим передаточным числом рулевого привода) называют отношение углового перемещения сошки к среднему угловому перемещению поворотных цапф управляемых колес.
Под силовым передаточным числом привода понимают отношение суммарного момента на поворотных цапфах всех управляемых колес к моменту на рулевой сошке.
КПД рулевого привода оценивает потери мощности в шарнирах рулевых тяг и шкворневых устройств управляемых колес.
Для автомобилей с передним управляемым мостом – потери в шкворнях составляют 40…50 %, в шарнирах рулевых тяг – 10…15 %. КПД рулевого привода (0,92…0,95) определяется как отношение силового передаточного числа к кинематическому.
Общий КПД рулевого управления определяется как произведение КПД рулевого механизма на КПД привода. Для современных автомобилей общий КПД рулевого управления может составлять 0,7…0,85.
Классификация рулевых приводов
Рулевые приводы различаются по следующим конструктивным признакам и свойствам:
— по взаимному расположению рулевого колеса и рулевого вала – с раздельным или совмещенным расположением.
При раздельном расположении рулевого вала и рулевого колеса их соединяют карданным валом, резиновой полумуфтой, сильфонным или перфорированным патрубком. При аварии такая конструкция обеспечивает травмобезопасность, так как при прямом ударе вал складывается и не перемещает рулевое колесо.
Кроме того, раздельное расположение вала и руля позволяет решить и некоторые другие технические задачи.
— по расположению рулевой трапеции – с передним или задним расположением относительно оси управляемых колес.
Варианты расположения и устройства рулевой трапеции при проектировании рулевого управления автомобиля определяются компоновочными возможностями. Схемы основных типов рулевых трапеций представлены на рис. 2 .
— по конструкции поперечной тяги – с цельной или разрезной тягой.
При применении зависимой подвески и неразрезной балке моста поперечная тяга для увеличения жесткости рулевого управления выполняется сплошной, при этом она может располагаться как перед балкой моста, так и за ней ( рис. 2, а, б ).
В случае применения неразрезной поперечной тяги при независимой подвеске вертикальное перемещение одного из колес вызвало бы поворот другого колеса. Чтобы избежать этого, поперечную тягу делают разрезной, из нескольких звеньев ( рис. 2, в ).
На переднеприводных автомобилях с реечным рулевым механизмом рулевая трапеция состоит из двух тяг, непосредственно связанных с рейкой ( рис. 2, г ).
Изменение длины поперечной тяги позволяет осуществлять регулировку схождения управляемых колес.
— по наличию усилителя – простой механический привод или с использованием усилителя.
Конструкция элементов рулевого привода должна быть достаточно жесткой для надежной и правильной передачи усилий и в тоже время позволять изменять их взаимное положение. Для обеспечения такой передачи соединение деталей рулевого привода осуществляется с помощью шаровых шарниров.
Сошка связывает выходной вал рулевого механизма с продольной тягой. Ее изготовляют методом ковки с переменным эллиптическим сечением по длине, что является наиболее рациональным для выполнения условий прочности и жесткости.
Сошку соединяют с валом шлицевым соединением треугольного профиля и фиксируют гайкой. Для беззазорной посадки отверстие в сошке и конец вала выполняют коническими, а для правильной установки сошки на валу предусмотрены соответствующие метки или несимметрично расположенные шлицы.
Продольную тягу 11 рулевого привода ( рис. 3 ) делают трубчатой с утолщением по краям для монтажа шарниров. Каждый шарнир состоит из пальца 13, вкладышей 12 и 14, охватывающих сферическими поверхностями шаровую головку пальца, пружины 15 и резьбовой крышки 16.
Пружина постоянно прижимает вкладыши к шаровой головке пальца, устраняя зазоры, возникающие в результате изнашивания.
Поперечная рулевая тяга 10 также имеет трубчатое сечение. Шаровые шарниры размещаются в наконечниках 8, навинченных на концы тяги. Положение наконечников фиксируется стяжными болтами.
Наворачивая или свинчивая наконечники, можно изменять длину поперечной тяги при регулировке схождения колес. Так как резьба, нарезанная на концах тяги имеет разное направление, то изменение длины тяги можно осуществлять вращением самой тяги.
В корпусе наконечника установлен шаровой палец 5, к головке которого пружина 3 прижимает вкладыш 4, а своим вторым концом опирается на крышку 1, которая через прокладку 2 крепится болтами к корпусу наконечника.
Выход пальца из корпуса уплотняется защитной накладкой 9. Зазоры в шарнире при изнашивании устраняются путем постоянного прижатия вкладышей к шаровой головке пальца пружиной.
Такие наконечники не требуют регулировки.
Все шаровые соединения имеют пресс-масленки для периодического смазывания.
Шарнирные соединения механических рулевых приводов являются наиболее ответственными деталями с точки зрения безопасности движения. Они могут иметь пальцы сферической, полусферической или цилиндрической формы и вкладыши, изготовленные из различных материалов.
Наряду с шарнирным соединением, представленным на рис. 3 , где постоянная плотность сопряжения головки шарового пальца с вкладышами поддерживается упругим воздействием пружины, действующим вдоль оси пальца, существуют шарниры с усилием вдоль оси тяги (рис. 4,а,б,в ). Такие шарниры просты в изготовлении и получили распространение на грузовых автомобилях средней и большой грузоподъемности.
Однако такая конструкция имеет существенный недостаток: усилие пружины 3 должно быть значительно больше максимального усилия, которое может действовать вдоль оси тяги при движении автомобиля. Поэтому рабочие поверхности шаровых пальцев 1 и вкладышей 2 постоянно нагружены усилиями со стороны пружин. Это отрицательно сказывается на долговечности деталей.
Унифицированные шарниры неразборной конструкции ( рис. 4,г,д,е ) снабжены вкладышами, изготовленными из полиуретана или нейлона, пропитанного специальным составом. Наличие прорези во вкладыше обеспечивает сборку и беззазорное соединение сопряженных поверхностей с помощью пружин. Для исключения выхода пальцев из тяги при значительных деформациях или поломках пружин в шарнирах устанавливают ограничители.
Эти шарниры не требуют регулировок и смазочного материала.
Детали рулевого привода изготавливают из сталей 20, 30, 35; пальцы шарниров – из сталей 12ХН3А, 18ХГТ и 15ХН; наконечники рулевых тяг, рычаги и сошку выковывают из сталей 35, 40, 45, 30Х, 35Х, 40Х, 38ХГМ, 40ХНМА.
Диаметр рулевого колес нормирован. Он составляет для легковых и грузовых автомобилей малой грузоподъемности 380…425 мм, а для грузовых автомобилей и автобусов большой вместимости- 440…550 мм.
Максимальный угол поворота рулевого колеса зависит от типа автомобиля и находится в пределах ±540…1080˚ (1,5…3 оборота).
как работает рулевое управление автомобиля
Знаете, как называется рулевое колесо у гоночного болида? Штурвал! А в наших автомобилях всего то – руль… Чувствуете разницу? Но оставим Шумахеру шумахерово, и поговорим что же такое рулевое управление, или рулевой механизм.
Система рулевого управления служит для управления автомобилем и обеспечения его движения в заданном направлении по команде водителя. Система включает в себя рулевой механизм и рулевой привод. Что бы представить себе работу рулевых механизмов разных поколений, я разделю объяснение на три части, именно столько их насчитывается в автомобилестроении.
Червячный рулевой механизм
Свое название получил из-за системы привода рулевой колонки, а именно червячной шестерни. В состав рулевой системы входят:
• Руль (думается объяснять не надо?)
• Рулевой вал с крестовиной, представляет собой металлический стержень, у которого с одной стороны расположены шлицы для фиксации руля, а с другой внутренние шлицы для крепления к рулевой колонке. Полная фиксация производится стяжной муфтой, которая обжимает место стыка вала и «червяка» привода колонки. В месте изгиба вала устанавливается кардан, при помощи которого передается боковое усилие вращения.
• Рулевая колонка, устройство, собранное в одном литом корпусе, в состав которой входят червячная ведущая шестерня и ведомая. Ведомая шестерня соединена жестко с рулевой сошкой.
• Рулевые тяги, наконечники и «маятник», совокупность этих деталей соединённых между собой при помощи шаровых и резьбовых соединений.
Работа рулевого механизма выглядит следующим образом: при вращении рулевого колеса, усилие вращения передается на червячный механизм колонки, «червяк» вращает ведомую шестерню, которая в свою очередь приводит в действие рулевую сошку. Сошка соединена со средней рулевой тягой, второй конец тяги крепится к маятниковому рычагу. Рычаг устанавливается на опоре и жестко крепится к кузову автомобиля. От сошки и «маятника» отходят боковые тяги, которые при помощи обжимных муфт соединены с рулевыми наконечниками. Наконечники соединяются со ступицей. Рулевая сошка, поворачиваясь, передает усилие одновременно на боковую тягу и на средний рычаг. Средний рычаг приводит в действие вторую боковую тягу и ступицы поворачиваются, соответственно колеса тоже.
Такая система была распространена на старых моделях «Жигулей» и «BMW».
Реечный рулевой механизм
Самая распространенная система в настоящее время.
Основные узлы это:
• Рулевое колесо (руль)
• Рулевой вал (то же что и в червячном механизме)
• Рулевая рейка – это узел, состоящий из зубчатой рейки, в движение которую приводит рулевая шестерня. Собранная в одном корпусе, чаще из легкого сплава, крепится непосредственно к кузову авто. На концах зубчатой рейки изготовлены резьбовые отверстия для крепления рулевых тяг.
• Рулевые тяги представляют собой металлический стержень, с одного конца у которого резьба, а со второй, шарнирное шаровое устройство с резьбой.
• Рулевой наконечник, это корпус с шаровым шарниром и внутренней резьбой, для вкручивания рулевой тяги.
При вращении рулевого колеса, усилие передается на шестерню, которая приводит в действие рулевую рейку. Рейка «выезжает» из корпуса влево или вправо. Усилие передается на рулевой рычаг с наконечником. Наконечник вставлен в ступицу, которую и поворачивает в дальнейшем.
Для уменьшения усилия водителя при вращении рулевого колеса, в реечное рулевое устройство были введены усилители руля, на них остановимся более подробно
Усилитель руля является вспомогательным устройством для вращения рулевого колеса. Различают несколько типов усилителей руля. Это гидроусилитель, гидроэлектроусилитель, электроусилитель и пневмоусилитель.
1. Гидроусилитель состоит из гидравлического насоса, в действие который приводит двигатель, системы шлангов высокого давления, и бачка для жидкости. Корпус рейки выполнен герметически, так как в нем находится жидкость гидроусилителя. Принцип действия гидроусилителя следующий: насос нагнетает давление в системе, но если руль стоит на месте, то насос просто создает циркуляцию жидкости. Стоит только водителю начать поворачивать руль, как перекрывается циркуляция, и жидкость начинает давить на рейку, «помогая» водителю. Давление направлено в ту сторону, в которую вращается «баранка».
2. В гидроэлектроусилителе система точно такая же, только насос вращает электромотор.
3. В электроусилителе применяется так же электромотор, но соединяется он непосредственно с рейкой или с рулевым валом. Управляется электронным блоком управления. Электроусилитель еще называют адаптивным усилителем из-за возможности прикладывания разного усилия к вращению рулевого колеса, в зависимости от скорости движения. Известная система Servotronic.
4. Пневмоусилитель это близкая «родня» гидроусилителя, только жидкость заменена на сжатый воздух.
Активная рулевая система
Самая «продвинутая» система управления в настоящее время, в состав входит:
• Рулевая рейка с планетарным механизмом и электродвигателем
• Блок электронного управления
• Рулевые тяги, наконечники
• Рулевое колесо (ну а как же без него?)
Принцип работы рулевой системы чем-то напоминает работу АКПП. При вращении рулевого колеса, вращается планетарный механизм, который и приводит в действие рейку, но вот только передаточное число всегда разное, в зависимости от скорости движения автомобиля. Дело в том, что солнечную шестерню снаружи вращает электродвигатель, поэтому в зависимости от скорости вращения изменяется передаточное число. На небольшой скорости коэффициент передачи составляет единицу. Но при большем разгоне, когда малейшее движение руля может привести к негативным последствиям, включается электромотор, вращает солнечную шестерню, соответственно необходимо руль довернуть больше при повороте. На маленькой скорости автомобиля электродвигатель вращается в обратную сторону, создавая более комфортное управление.
Весь остальной процесс выглядит, как и у простой реечной системы.
Ничего не забыли? Забыли, конечно! Забыли еще одну систему – винтовую. Правда, эта система больше похожа на червячный механизм. Итак – на валу проточена винтовая резьба, по которой «ползает» своеобразная гайка, представляет собой зубчатую рейку с резьбой внутри. Зубья рейки приводят в действие рулевой сектор, в свою очередь он предает движение сошке, ну а дальше как в червячной системе. Для уменьшения трения, внутри «гайки» расположены шарики, которые «циркулируют» во время вращения.
Устройство, виды и принцип работы рулевого механизма
Основой рулевого управления любого автомобиля является рулевой механизм. Он предназначен для преобразования вращательных движений рулевого колеса в возвратно-поступательные движения рулевого привода. Другими словами, данное устройство превращает повороты руля в нужные перемещения тяг и поворот управляемых колес. Основным параметром механизма является передаточное число. А само устройство, по сути, представляет собой редуктор, т.е. механическую передачу.
Функции механизма
Основными функциями устройства являются:
Типы рулевых механизмов
Устройство рулевого механизма различается в зависимости от способа преобразования крутящего момента. По этому параметру выделяют червячный и реечный виды механизмов. Существует еще винтовой тип, принцип работы которого схож с червячной передачей, но он имеет больший КПД и реализует большее усилие.
Червячный рулевой механизм: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки
Этот рулевой механизм является одним из «устаревших» устройств. Им оснащены практически все модели отечественной «классики». Механизм применяется на автомобилях с повышенной проходимостью с зависимой подвеской управляемых колес, а также в легких грузовых автомобилях и автобусах.
Конструктивно устройство состоит из следующих элементов:
Пара «червяк-ролик» находится в постоянном зацеплении. Глобоидальный червяк представляет собой нижнюю часть рулевого вала, а ролик закреплен на валу сошки. При вращении руля ролик перемещается по зубьям червяка, благодаря чему вал рулевой сошки также поворачивается. Результатом такого взаимодействия является передача поступательных движений на привод и колеса.
Рулевой механизм червячного типа имеет следующие преимущества:
Изготовление конструкции достаточно сложное и дорогое – в этом главный ее минус. Рулевое управление с таким механизмом состоит из множества соединений, периодическая регулировка которых просто необходима. В противном случае придется заменять поврежденные элементы.
Реечный рулевой механизм: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки
Рулевой механизм реечного типа считается более современным и удобным. В отличие от предыдущего узла, это устройство применимо на транспортных средствах с независимой подвеской управляемых колес.
В реечный рулевой механизм входят следующие элементы:
Шестерня устанавливается на рулевом валу и находится в постоянном зацеплении с рейкой. В процессе вращения рулевого колеса рейка перемещается в горизонтальной плоскости. В результате соединенные с ней тяги рулевого привода также перемещаются и приводят в движение управляемые колеса.
Механизм «шестерня-рейка» отличается простотой конструкции и высоким КПД. К ее преимуществам также можно отнести:
С другой стороны, редуктор этого типа чувствителен к ударам от неровностей дороги – любой толчок от колес передастся на руль.
Винтовой редуктор
Особенностью этого механизма является соединение с помощью шариков винта и гайки. За счет чего наблюдается меньшее трение и износ элементов. Механизм состоит из следующих элементов:
Винтовой рулевой механизм применяется в автобусах, тяжелых грузовых автомобилях и в некоторых легковых автомобилях представительского класса.
Регулировка устройства
Регулировка рулевого механизма применяется для компенсации зазоров в механизмах «червяк-ролик» и «шестерня-рейка». В процессе эксплуатации в данных механизмах может появиться люфт, который может привести к быстрому износу элементов. Регулировать рулевой механизм необходимо только в соответствии с рекомендациями производителя и на специализированных СТО. Избыточное “зажатие” механизма может привести к его заклиниванию при повороте руля в крайние положения, что чревато потерей управления автомобилем с соответствующими последствиями.
Устройство и виды рулевого управления автомобиля
Рулевое управление – одна из основных систем автомобиля, которая представляет собой совокупность узлов и механизмов, предназначенных для синхронизации положения рулевого колеса (руля) и угла поворота управляемых колес (в большинстве моделей автомобилей это передние колеса). Основное назначение рулевого управления для любых транспортных средств – это обеспечение поворота и поддержание заданного водителем направления движения.
Устройство системы рулевого управления
Конструктивно система рулевого управления состоит из следующих элементов:
Стоит также отметить, что подвеска и рулевое управление автомобиля имеют тесную взаимосвязь. Жесткость и высота первой определяют степень отклика автомобиля на вращение рулевого колеса.
Виды рулевого управления
В зависимости от типа редуктора системы, рулевой механизм (система рулевого управления) может быть следующих видов:
В зависимости от вида усилителя, который предусматривает устройство рулевого управления, различают системы:
Рулевое управление современного автомобиля может быть дополнено следующими системами:
Требования к рулевому управлению автомобиля
Согласно стандарту, к рулевому управлению применяются следующие основные требования:
Существует еще один стандартный параметр, определяющий нормальное функционирование рулевого управления – это суммарный люфт. Данный параметр представляет собой величину угла поворота руля до начала поворота управляемых колес.
Значение допустимого суммарного люфта в рулевом управлении должно быть в пределах:
Особенности правостороннего и левостороннего руля
В современных автомобилях может быть предусмотрено правостороннее или левостороннее рулевое управление, что зависит от вида транспортного средства и законодательства отдельных стран. В зависимости от этого руль может располагаться справа (при левостороннем движении) или слева (при правостороннем).
В большинстве стран левостороннее рулевое управление (или правостороннее движение). Основное отличие механизмов не только в позиции руля, но и в рулевом редукторе, который адаптирован под различные стороны подключения. С другой стороны, переоборудование правостороннего руля на левостороннее рулевое управление все же возможно.
В некоторых видах спецтехники, например, в тракторах, предусматривается гидрообъемное рулевое управление, которое обеспечивает независимость положения руля от компоновки других элементов. В этой системе отсутствует механическая связь привода и рулевого колеса. Для выполнения поворота колес гидрообъемное рулевое управление предусматривает силовой цилиндр, которым управляет насос-дозатор.
Основные достоинства, которые имеет гидрообъемное рулевое управление для транспортных средств в сравнении с классическим рулевым механизмом с гидравлическим усилителем: необходимость приложения меньших усилий для выполнения поворота, отсутствие люфта, а также возможность произвольного расположения узлов системы.
Таким образом, ГОРУ может обеспечивать и правостороннее, и левостороннее рулевое управление. Это позволяет его устанавливать в транспортных средствах с особыми режимами эксплуатации (дорожно-строительные машины, уборщики).
Конструкция рулевого управления автомобиля
Рулевое управление автомобиля – система, отвечающая за передвижение в выбранном водителем направлении. Наряду с тормозами, это важнейшие элементы контроля и безопасности движения авто. Исторически применялись различные виды рулевого управления, среди которых встречались:
Основная конструкция
Устройство рулевого управления автомобиля любого типа имеет общие черты, которые отражены в его конструкции. Независимо от марки, типа и назначения, система рулевого управления состоит из:
Для повышения комфорта водителя рулевое управление может оснащаться дополнительными амортизаторами, электронными, гидравлическими и другими системами.
Принцип работы
Принцип действия рулевого управления достаточно прост и базируется на правилах работы рычагов и передаточных механизмов. Рулевое колесо крепится на верхнюю часть вала и жестко закрепляется на нем. На нижней части вала так же жестко закрепляется шестерня. В результате вращение руля усилие и угол поворота точно передается на нижнюю часть вала, заставляя таким же образом проворачиваться и шестерню.
Шестерня через пазы, соответствующие ее зубцам, соединена с металлической рулевой рейкой. Поэтому данные механизмы рулевого управления называются реечными. С помощью болтов или резьбового соединения на рейке закрепляются рулевые тяги, представляющие собой прочные цельнометаллические валы.
На тяги наворачивается важнейший элемент, от которого зависит работа рулевого управления автомобиля – рулевые наконечники. В них установлены рулевые пальцы, которые вставляются в рычаги поворотных кулаков, закрепляясь гайкой.
В поворотные кулаки вставляются колесные ступицы, тормозные диски и управляющие колеса автомобиля. Таким образом, усилие от руля через систему рычагов передается для их поворота на нужный угол.
Особенности конструкции, обеспечивающие долговечность и безопасность работы
Чтобы исключить попадание влаги и грязи, механизм рулевой рейки и шестерни закрывается кожухом. Это позволяет избежать неисправности рулевого управления, связанной с преждевременным износом этого узла, который подвергается повышенным нагрузкам. Для его герметизации дополнительно устанавливают резиновые пыльники. Чтобы облегчить управление автомобилем, на рулевой механизм дополнительно может ставиться гидравлический или электрический усилитель.
Важная деталь системы управления — рулевой наконечник, состоящий из рулевого пальца, укрепленного между верхним и нижним вкладышем. Чтобы они обжимали палец, в верхней части наконечника устанавливается пружина и конструкция плотно затягивается. Для защиты от пыли и влаги на наконечник устанавливают резиновый пыльник.
Сам палец затягивается в рычаг поворотного кулака специальной корончатой гайкой, чтобы она была зафиксирована на пальце. Гайка сначала затягивается, потом одна из прорезей короны совмещается с отверстием на пальце и шплинтуется. В некоторых моделях вместо этой системы используются самоконтрящиеся гайки.
Такая конструкция позволяет передавать усилие с рулевого колеса на механизм синхронно. Но в результате эксплуатации, сильных динамических ударов и стандартного износа, вкладыши разбиваются пальцем, и появляется люфт рулевого управления. Это приводит к тому, что усилие с рулевого колеса передается с запаздыванием, не синхронно.
При длительной эксплуатации это явление проявляется на обоих наконечниках и реечном соединении, это называется суммарный люфт в рулевом управлении. Определить его можно по величине свободного хода руля, когда он поворачивается, а усилие на управляющие колеса не передается. Большой суммарный люфт говорит о сильном износе рулевого управления и необходимости его ремонта.
Важным моментом ухода за рулевым управлением является отслеживание цельности резиновых пыльников. Попадание пыли и грязи в защищаемые ними элементы приводит к их быстрому износу. Их своевременная замена позволяет избежать дорогостоящего ремонта.
В автомобилях рулевой вал не является цельной конструкцией, он состоит из трех частей – вал рулевого колеса, рулевого механизма и карданной передачи. Такая конструкция позволяет регулировать руль по высоте. Для фиксации настроек используется специальный фиксатор.
Заключение
Значения рулевого управления автомобиля является определяющим для безопасного передвижения. Его неожиданная поломка в большинстве случаев приводит к серьезным авариям. Если это случилось, требуется немедленно остановиться и вызвать эвакуатор, который доставит машину в гараж или на СТО. Чтобы этого не случилось, нужно делать своевременную диагностику этого узла.
Каждый водитель должен самостоятельно следить за состоянием рулевого управления своего автомобиля. Его суммарный люфт не должен превышать нормы, допустимой производителем, при повороте рулевого колеса не должно быть никаких посторонних звуков. Периодически нужно осматривать пыльники, а при их повреждении немедленно делать замену. В этом случае неприятностей с этим важнейшим узлом можно будет избежать.
Рулевое управление автомобиля
Р улевое управление автомобиля — это совокупность механизмов, служащих, для поворота управляемых колес, обеспечивает движение автомобиля в заданном направлении. Передачу усилия поворота рулевого колеса к управляемым колесам обеспечивает рулевой привод. Для облегчения управления автомобилем применяют усилители руля, которые делают поворот руля легким и комфортным.
Устройство рулевого управления:
Принцип работы рулевого управления
Каждое управляемое колесо установлено на поворотном кулаке, соединенном с передней осью посредством шкворня, который неподвижно крепится в передней оси. При вращении водителем рулевого колеса усилие передается посредством тяг и рычагов на поворотные кулаки, которые поворачиваются на определенный угол (задает водитель), изменяя направление движения автомобиля.
Механизмы управления, устройство
Рулевое управление состоит из следующих механизмов :
Устройство рулевого управления
Устройство рулевого привода:
Принципиальная схема. 1 – трубопроводы високого давления; 2 – механизм рулевой; 3 – насос усилительного механизма; 4 – шланг сливной; 5 – бак масляный; 6 – шланг всасывающий; 7 – шланг нагнетательный; 8 – механизм усилительный; 9 – шланги.
Рулевое управление автомобиля КамАЗ
Механизм рулевого управления автомобиля КамАЗ :
1 — реактивный плунжер; 2— корпус клапана управления; 3 — ведущее зубчатое колесо; 4 — ведомое зубчатое колесо; 5, 22 и 29— стопорные кольца; 6 — втулка; 7 и 31 — упорные колы к», 8 — уплотнительное кольцо; 9 и 15 — бинты; 10 — перепускной клапан; 11 и 28 — крышки; 12 — картер; 13 — поршень-рейка; 14 — пробка; 16 и 20— гайки; 17 — желоб; 18 — шарик; 19 — сектор; 21 — стопорная шайба; 23 — корпус; 24 — упорный подшипник; 25 — плунжер; 26 — золотник; 27— регулировочный винт; 30— регулировочная шайба; 32— зубчатый сектор вала сошки.
Рулевое управление автомобиля ЗИЛ;
1 — насос гидроусилителя; 2 — бачок насоса; 3 — шланг низкого давления; 4 — шланг высокого давления; 5 колонка; 6 — контактное устройство сигнала; 7 — переключатель указателей поворота; 8 карданный шарнир; 9 — карданный вал; 10 — рулевой механизм; 11 — сошка.
Рулевое управление автомобиля МАЗ-5335:
1 — продольная рулевая тяга; 2— гидроусилитель рулевого привода; 3 — сошка; 4 — рулевой механизм; 5— карданный шарнир привода рулевого управления; 6 — рулевой вал; 7— рулевое колесо; 8 — поперечная рулевая тяга; 9— левый рычаг поперечной рулевой тяги; 10 — поворотный рычаг.
Устройство и работа гидроусилителя и электроусилителя руля
Устройство и работа гидроусилителя и электроусилителя руля
Прошло много времени прежде, чем появилась альтернатива для уменьшения усилия на руле, и достигалось это за счет увеличения передаточного числа привода и диаметра банки. В этой статье мы разберем устройство и работу гидроусилителя (ГУР) и электроусилителя (ЭУР) руля. Рассмотрим принцип работы гидроусилителя и электроусилителя руля рулевого механизма автомобиля.
Разновидности и типы рулевых механизмов
Прежде, чем говорить об усилителях руля, давайте немного внимания уделим рулевому механизму. Одним из первоклассников рулевых механизмов стал рулевой механизм типа «червяк–ролик», работа которого основана на использовании шестеренчатой червяной пары, но данный тип механизма, можно сказать, уже остался в прошлом.
Широкое распространение получил реечный тип рулевого механизма, еще его называют «шестерня–рейка». Реечный рулевой механизм в основном используется на переднеприводных автомобилях с подвеской типа МакФерсон. Рулевой механизм типа «шестерня–рейка» обеспечивает удобное, легкое и точное управление автомобилем.
Преимущества и недостатки рулевого усилителя
Основное преимущество усилителя руля – уменьшение требуемого усилия при повороте рулевого колеса (особенно в процессе парковки, когда необходимо совершать большое количество оборотов). Вторым, но не менее важным преимуществом усилителя руля является важное свойство, обеспечивающее смягчение и ослабление ударов передаваемых от неровностей дороги к рулевому колесу. Представьте, как бы вам мешала вибрация на руле при управлении автомобилем.
Важной особенностью усилителя руля является его сбалансированная работа, которая должна обеспечить своевременную передачу усилия от рулевого механизма к рулевому колесу, и в то же время оставить необходимое реактивное усилие на руле, которое позволяет водителю чувствовать автомобиль во время движения.
Для достижения оптимальной работы усилителя руля необходимо обеспечить информативность рулевого привода, в тоже время, сохранив не тугое, удобное вращение рулевого колеса. На правильную работу усилителя руля влияют следующие факторы: производительность насоса, углы установки колес, геометрия и параметры передней и задней подвесок, характеристики и состояние шин, жесткость кузова.
Большинство производителей выбирают комфорт, жертвуя при этом информативностью рулевого механизма. Это объясняется использованием автомобиля в обыденных целях. Но, если вы заядлый автолюбитель, с определенными требованиями к управляемости, любите быструю и экстремальную езду, следует задуматься над этим вопросом более серьезно, правильно расставив приоритеты.
«При движении автомобиля на маленькой скорости руль должен поворачиваться легко, а при высокой скорости рулевое колесо должно быть упругим и информативным».
Для выполнения этой задачи используется специальное устройство – электрогидравлический модулятор давления, который при увеличении скорости получает сигнал, сформированный управляющим блоком, затем по этому сигналу ограничивает давление в рабочем контуре, что ограничивает влияние гидроусилителя на управление автомобилем.
В электроусилителе на торсионе стоит датчик, который передает сигнал на электронику, после чего ток требуемой силы и полярности подается на обмотку электромотора, который приводит в действие рулевой механизм через червячную передачу. Характеристика усилителя может изменяться в зависимости от сигналов датчика скорости.
Преимущества электроусилителя руля:
Электроусилитель руля потребляет энергию только при вращении рулевого колеса, что делает его более экономичным и эффективным. КПД электродвигателя выше, чем КПД гидравлического насоса.
На рисунке представлен реечный рулевой механизм с гидроусилителем. Расположение поршня гидроусилителя зависит от крепления тяг. Если тяги крепятся по бокам, поршень размещен посередине корпуса. Поршень может располагаться сбоку, если тяги крепятся к центральной части.
Насос гидроусилителя располагается на силовом агрегате и приводится в действие от ремня коленчатого вала. Насос ГУР предназначен для создания давления масла в системе и его циркуляции (простым языком для перекачивания масла из бачка в распределитель), с давлением от 50 до 10 атм.
Распределитель предназначен для распределения рабочей жидкости по системе (т.е. дозировано улучшает поворот управляемых колес в зависимости от усилия на руле). Распределители бывают роторные и осевые, которые отличаются движением золотника.
Роторный золотник – если золотник осуществляет вращательное движение.
Гидроцилиндр – элемент гидроусилителя, который приводит в действие поршень со штоком, повышая давления масла в системе.
Соединительные шланги – предназначены для хода рабочей жидкости по системе.
Бачок. Емкость с фильтром для хранения и очистки рабочей жидкости.
Как работает торсион
Если автомобиль движется прямо, никаких усилий к рулевому колесу прикладывать не надо, поэтому торсион не закручен, дозирующие каналы распределителя перекрыты, масло течет в бачок. Когда же автомобиль поворачивает, возникает сопротивление, сопротивление передается и торсион закручивается еще сильнее, пропорционально прикладываемому усилию к рулевому колесу. Золотник открывает дозирующие каналы, и масло начинает поступать в исполнительное устройство. Если рулевое колесо повернуто до упора, открываются предохранительные клапана, давление масла сбрасывается.
Принцип работы гидроусилителя
При повороте руля, происходит перемещение золотника. Переместившись, он перекрывает сливную магистраль и в одну из полостей цилиндра под давлением подается рабочая жидкость. В это же время поршень и шток под воздействием на них давления жидкости поворачивают колеса и корпус распределителя в сторону движения золотника. Корпус распределителя настигает золотник лишь тогда, когда тот прекращает свое движение. После этого поворот считается выполненным. После поворота (руль устанавливается в прямолинейное положение) и золотник возвращается в нейтральное положение и открывается магистраль для слива жидкости.
Рулевой механизм Active Steering с переменным передаточным отношением
Можно ли изменять передаточное отношение усилия на руле? Этот вопрос особенно актуален при движении автомобиля на высокой скорости, когда не требуется лишняя острота рулевого управления. Ведь небольшие изменения положения руля могут повлиять на движение автомобиля, что непременно заставит водителя волноваться. Чего не скажешь о парковке автомобиля, здесь все наоборот, хочется не крутить руль туда-сюда на большие углы.
Тут на помощь устанавливается рейка с переменным профилем: в нулевой зоне зубья треугольные, а ближе к краям — трапецеидальной формы. Шестерня входит с ними в зацепление с разным плечом, что помогает изменить передаточное отношение.
Устройство электроусилителя руля (ЭУР)
Электроусилитель руля (ЭУР)
ЭУР это усилители рулевого управления, которые работают с помощью электричества. Усилитель включает в себя торсион и датчик. Датчик служит для того, чтобы подавать ток на обмотку электромотора. Электромотор передает крутящий момент, используя червячную передачу.
Устройство ЭУР
1 — рулевая колонка; 2 — электронный усилитель; 3 — промежуточный вал; 4 — рулевой механизм типа рейка; 5 — устройство с торсионом; 6 — блок управления ЭУР; 7 — электронный привод, который включает в себя механизм типа винт—шарик—рейка.
Основные преимущества работы ЭУР:
— работа ЭУР не зависит от количества оборотов двигателя автомобиля,
— возможность саморегулировки
— на работу ЭУР не влияет температура окружающей среды
— экономичность:
1) усилитель руля (ЭУР) выступает как потребитель энергии только во время вращения рулевого колеса.
2) высокий КПД электродвигателя.
Высокая надежность работы ЭУР обеспечивается: отсутствием шлангов и ремней, не используются прокладок и и сальники. А самое главное нет потребности в дополнительных жидкостях. В отличие от гидроусилителей рулевого управления ЭУР не требует доливки рабочей жидкости и ее замены.
Устройство насоса гидроусилителя
Устройство насоса гидроусилителя
Устройство рулевого управления
и тормозной системы автомобиля
Насос гидроусилителя должен быть высокопроизводительным, чтобы уже при невысокой частоте вращения коленчатого вала двигателя обеспечивать повороты рулевого колеса с требуемой быстротой. Насос имеет клиноременный привод от шкива коленчатого вала. Шкив насоса закреплен на наружном конце вала, установленного на игольчатом и шариковом подшипниках. На валу насоса на шлицах посажен ротор, в пазы которого свободно вставлены лопасти. К корпусу насоса шпильками и болтами вместе с распределительным диском и крышкой прикреплен статор.
Работа насоса гидроусилителя
При вращении ротора лопасти, перемешаясь в его пазах, постоянно плотно прижимаются к криволинейной поверхности статора под действием центробежных сил и давления жидкости. Жидкость из корпуса попадает в пространство между лопастями и вытесняется ими в полость нагнетания. За один оборот ротора дважды происходит забор и нагнетание жидкости. Из полости нагнетания через отверстия распределительного диска, калиброванное отверстие и канал в крышке насоса жидкость поступает в нагнетательный шланг (трубопровод) гидроусилителя.
На верхней части корпуса насоса укреплен бачок для жидкости (масло), закрытый крышкой, в которой установлен сапун, поддерживающий давление внешней среды внутри бачка. Масло, заливаемое в бачок, проходит через сетчатый фильтр. В магистрали слива масла имеется также сетчатый фильтр и перепускной клапан, который срабатывает в случае засорения фильтра. В крышке насоса установлен перепускной клапан, имеющий отверстия для соединения с полостью нагнетания насоса.
При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя разность давлений на торцах перепускного клапана возрастает, так как с увеличением подачи масла в систему гидроусилителя повышается разность давлений в полости нагнетания насоса и в магистрали нагнетания. При чрезмерном увеличении подачи масла в систему гидроусилителя перепускной клапан перемещается вправо, сжимая пружину, и сообщает полость нагнетания с бачком.
Рулевой привод и рулевые тяги автомобиля
Для уменьшения уровня шума при работе насоса и снижения износа его деталей при большой частоте вращения коленчатого вала двигателя масло, проходя перепускной клапан, принудительно направляется обратно в полость корпуса насоса и в канал всасывания. Для этого имеется коллектор, внутренний канал которого соединен с полостью бачка.
Внутри перепускного канала есть седло с установленным в нем предохранительным клапаном, который открывается при достижении давления масла 6,5—7 МПа и перепускает его из нагнетательного канала в бачок.
На грузовых автомобилях особо большой грузоподъемности, движение которых без усилителя рулевого привода невозможно, обычно применяют дополнительный, аварийный привод насоса от электродвигателя. Он автоматически включается при аварийной остановке двигателя автомобиля.
Техническое состояние механизма рулевого управления оказывает существенное влияние на безопасность движения автомобиля, поэтому правильной эксплуатацией механизма рулевого управления и своевременному регулированию необходимо уделять самое серьезное внимание. Не допускается, к примеру, эксплуатация автомобиля, если свободный ход рулевого колеса превышает 25° В этом случае эксплуатация автомобиля затруднена и износ деталей механизма рулевого управления значителен.
Для повышения надежности и упрощения обслуживания элементов механизма рулевого управления конструкция привода предусматривает частичное или даже полное отсутствие регулировок шарнирных узлов рулевого привода. Детали механизма рулевого управления изготовляются с большой точностью и подвергаются термообработке.
Устройство насоса гидроусилителя рулевого привода автомобиля ЗИЛ:
1 и 13 — перепускные клапаны; 2 и 20 — сетчатые фильтры; 3 — корпус насоса; 4 — шарикоподшипник; 5 — уплотнительная муфта; 6 — вал насоса; 7 — игольчатый подшипник; 8 — статор; 9 — ротор; 10 — распределительный диск; 11 — калиброванное отверстие; 12 — крышка насоса; 14 — седло предохранительного клапана; 15 — пружина; 16 — предохранительный клапан; 17 — коллектор; 18 — бачок; 19 — резиновая прокладка; 21 — сапун; 22 — крышка бачка; 23 — шайба; 24 — гайка-барашек; 25 — резиновое кольцо; 26 — шкив; 27— лопасть.
Конструкция гидроусилителя
Конструкция гидроусилителя
Устройство насоса гидроусилителя
рулевого привода автомобиля ЗИЛ
Если на управляемые колеса приходится большая нагрузка (грузовые автомобили большой и средней грузоподъемности и автобусы), то управление автомобилем затрудняется необходимостью приложения к рулевом)’ колесу значительного усилия. В тех случаях, когда работа водителя не может быть облегчена увеличением передаточного числа механизма рулевого управления, конструкция предусматривает применение усилителей. Усилители руля увеличивают маневренность автомобиля, повышают безопасность движения, так как позволяют сохранить управляемость автомобилем даже в случае разрыва шины на одном из передних колес, уменьшают усилие, затрачиваемое водителем при повороте управляемых колес, и смягчают толчки, передающиеся на рулевое колесо при движении автомобиля по неровной дороге. При применении усилителя несколько ухудшается стабилизация управляемых колес и больше изнашивается шина (из-за высокой его чувствительности).
Усилители бывают электрические усилители, пневматические и гидравлические. Электрические усилители показывают хорошие результаты, но в настоящее время только выходят из стадии лабораторных исследований и разработок, а пневматические оказались неприемлемыми ввиду большой упругой податливости рабочего тела — воздуха, приводившей к запаздыванию срабатывания усилителя и возникновению в рулевом управлении недопустимых колебательных процессов. Поэтому в настоящее время широко применяют гидравлические усилители. Гидравлический усилитель может быть встроенным в механизм рулевого управления и отдельным.
В общем случае гидравлический усилитель состоит из источника энергии (гидронасоса), распределителя, исполнительного устройства (силового цилиндра).
Требования, предъявляемые к конструкции гидроусилителя :
• должны обеспечивать следящее действие как по силе, так и по перемещению рулевого колеса (сила перемещения рулевого колеса должна быть пропорциональна силе сопротивления повороту и углу поворота управляемых колес);
• в случае выхода из строя усилителя — управление автомобилем не должно нарушаться;
• минимальное время срабатывания;
• минимальное препятствие стабилизации управляемых колес;
• усилитель не должен включаться от толчков дороги.
По месту установки элементов усилителя различают четыре типа конструкций.
Типы конструкций усилителей рулевого привода
Первый тип — элементы расположены близко к рулевому колесу — высокая чувствительность, минимальная длина трубопроводов, компактность (автомобили марок «ЗИЛ», «КамАЗ»).
Второй тип — силовой цилиндр и распределитель далеко от механизма рулевого управления, который установлен автономно — чувствительность ухудшается, большая длина трубопроводов (автомобили марок «МАЗ», «КрАЗ»).
Третий тип — автономное расположение всех элементов — чувствительность хуже, большая длина трубопроводов, но удобна в обслуживании (автомобиль ГАЗ).
Четвертый тип — механизм рулевого управления соединен с распределителем — чувствительность хорошая, большая длина трубопроводов (автомобиль Урал-4320).
Устройство рулевого управления
и тормозной системы автомобиля
Встроенный гидроусилитель автомобиля ЗИЛ. Корпус распределителя крепится к промежуточной крышке картера механизма рулевого управления. Золотник распределителя крепится между упорными шариковыми подшипниками на винте. Золотник представляет собой цилиндр с двумя проточками. Упорные шарикоподшипники стянуты гайкой с подложенной под нее конической пружиной шайбой, обращенной вогнутой стороной к шарикоподшипнику. Длина золотника больше отверстия для него в корпусе распределителя, вследствие чего золотник и винт могут перемещаться в осевом направлении примерно на 1 мм в каждую сторону от среднего положения. Шесть реактивных пружин с реактивными плунжерами с каждой стороны. Пружины стремятся удержать золотник в среднем (нейтральном) положении. Если возникающая при вращении винта осевая сила больше силы предварительного сжатия реактивных пружин, то винт и золотник смещаются вправо или влево (на 1 мм) в зависимости от направления вращения винта, сообщая одну из полостей картера (силового цилиндра) механизма рулевого управления с магистралью высокого давления, а другую со сливным каналом. Масло под давлением (в современных усилителях используется давление 7—15 МПа) воздействует на тот или другой торец поршня рейки, создавая дополнительное усилие, способствующее повороту вправо или влево управляемых колес. При среднем (нейтральном) положении золотника жидкость из наcoca, заполнив обе полости силового цилиндра, вытекает через золотник в бачок гидронасоса.
При повороте вправо винт, выкручиваясь из поршня-рейки, вследствие сопротивления, возникающего при повороте колес, стремится сдвинуться в осевом направлении. Как только сдвигающая сила будет больше силы предварительно сжатых пружин реактивных плунжеров, золотник переместится вправо, соединяя магистраль высокого давления с полостью вправо от поршня, а полость слева от поршня со сливным каналом. Поршень-рейка перемещается под действием усилий, возникающих при выкручивании винта и от давления жидкости.
В случае поворота колес автомобиля влево золотник под аналогичным воздействием перемещается также влево, соединяя полость слева от поршня с магистралью высокого давления, а полость справа от поршня со сливным каналом.
Увеличение сопротивления повороту колес, оказываемое дорогой, вызывает повышение давления в рабочей полости картера и под реактивными плунжерами. Чем больше сопротивление повороту колес, тем с большей силой золотник стремится вернуться в среднее положение. Одновременно с этим возрастает и усилие на рулевом колесе, благодаря чему у водителя возникает «чувство дороги».
Работа гидроусилителя рулевого привода автомобиля ЗИЛ-4331:
a — нейтральное положение; б — перемещение золотника вправо; в — перемещение золотника влево; 1 и 7 — перепускные клапаны; 2 — сапун; 3 и 4 — сетчатые фильтры; 5 — коллектор; 6 — насос; 8 — предохранительный клапан; 9 и 10 — демпфирующие отверстия; 11 — калиброванное отверстие; 12 — шариковый клапан; 13 — реактивный плунжер; 14 — золотник; 15 — винт механизма рулевого управления; 16 — вал сошки; 17 — картер механизма рулевого управления.
Если водитель перестает поворачивать рулевое колесо, то прекращается и поворот управляемых колес, так как винт перестает вращаться и поступающая в картер механизма рулевого управления жидкость перемешает поршень-рейку с винтом и золотником в исходное среднее положение, при котором прекращается действие жидкости на поршень-рейку.
В работе гидроусилителей автомобилей марок «ЗИЛ» и «КамАЗ» много общего, но конструкция гидроусилителя автомобилей марки «КамАЗ» имеет некоторые особенности. Распределитель расположен впереди углового редуктора. В центральном отверстии распределителя размещен золотник, вокруг которого в трех сквозных отверстиях расположено по два цилиндра с центрирующей пружиной между ними, а в трех глухих отверстиях расположено по одному плунжеру с пружиной. Наличие трех плунжеров в глухих отверстиях объясняется следующим. Жидкость, находящаяся в корпусе углового редуктора, действует на три торца реактивных плунжеров, находящихся в сквозных отверстиях, а также на кромку сечения винта по месту его уплотнения, а в полости слева под передней крышкой действуют лишь на торцы трех плунжеров. Чтобы обеспечить одинаковое реактивное усилие на рулевом колесе от давления жидкости при повороте как направо, так и налево со стороны углового редуктора расположены три дополнительных плунжера, общая площадь которых равна площади кромки сечения винта.
В одном из плунжеров встроен обратный клапан, который при отказе гидросистемы соединяет между собой магистрали высокого и низкого давления, обеспечивая работу рулевого управления без усилителя. Предохранительный клапан соединяет магистрали нагнетания и слива при давлении жидкости свыше 8 МПа, предохраняя насос от перегрева, а детали от перегрузок. Размещение предохранительного клапана в отдельной бобышке облегчает его регулировку и ремонт.
Отдельный гидроусилитель автомобиля МАЗ. Распределитель крепится к корпусу шаровых шарниров и силового цилиндра. Внутри корпуса распределителя имеются три кольцевых канавки: две крайние соединены между собой каналом и с магистралью нагнетания, средняя сообщает магистраль слива с бачком насоса. Две кольцевые канавки золотника соединяются каналами (Одна — с левой, другая — с правой стороны) с реактивными камерами, представляющими собой замкнутую полость. Шаровые пальцы сошки и продольной рулевой тяги закреплены в корпусе шаровых шарниров. Этот корпус фланцем скреплен с корпусом золотника. Шаровые пальцы зажаты пружинами между сферическими сухарями пробкой и регулировочной гайкой. Сухари удерживаются от вращения штифтами, а шаровые пальцы в сухарях могут поворачиваться в некоторых пределах. Внутри корпуса шаровых шарниров в осевом направлении может перемещаться стакан с закрепленным в нем шаровым пальцем сошки. Со стаканом перемещается и золотник, жестко соединенный с ним болтами. На корпус шаровых шарниров навернут силовой цилиндр, в котором помещен поршень со штоком. С одной стороны полость цилиндра закрыта пробкой, а с другой — крышкой. На конце штока имеется головка для его крепления в кронштейне рамы. Полости цилиндра, разделенные поршнем, соединены трубопроводами с каналами в корпусе распределителя, выходящими в полость между кольцевыми проточками.
Конструкция гидроусилителя автомобиля МАЗ
1 — гидроцилиндр; 2 — шток; 3 — нагнетательный трубопровод; 4 — поршень; 5, 31 и 32 — пробки; 6— корпус шаровых шарниров; 7 — регулировочная гайка зазора шарового шарнира продольной тяги; 8 — толкатель; 9 — шаровой палец продольной рулевой тяги; 10 — шаровой палец сошки; 11 — сливной трубопровод; 12 — крышка; 13 — корпус распределителя; 14 — фланец; 15 и 17 — трубопроводы; 16 — хомут крепления уплотнителя; 18 — масленка; 19— сухарь; 20 — стопорный винт; 21 — крышка гидроцилиндра; 22— винт; 23— внутренняя шайба крепления чехла; 24 — головка штока; 25 — шплинт; 26 — штуцер сливного трубопровода; 27— штуцер нагнетательного трубопровода; 28 — держатель шлангов; 29 — регулировочная пробка зазора шарового шарнира сошки; 30 — золотник; 33 — стяжной болт; 34 — соединительный канал; 35 —стакан; 36 — обратный клапан.
Жидкость, подаваемая насосом по магистрали нагнетания в распределитель, заполняет две крайние кольцевые полости и в прямолинейном движении автомобиля, проходя между кромками золотника в центральную кольцевую полость, по трубопроводу возвращается в бачок насоса.
При повороте рулевого колеса шаровой палец сошки перемещает золотник в сторону от нейтрального (среднего) положения. Вследствие этого крайняя и центральная кольцевые полости разъединяются буртиком золотника и жидкость насосом подается в одну из полостей силового цилиндра, а из другой сливается в бачок. Под действием давления жидкости силовой цилиндр перемещает шаровой палец продольной рулевой тяги и весь золотниковый механизм. Через каналы в золотнике жидкость под давлением всегда передается в реактивные камеры, поэтому золотник стремится вернуться в нейтральное положение.
Работа гидроусилителя рулевого привода автомобиля МАЗ
Как только прекратится поворот рулевого колеса, золотник остановится, а корпус распределителя, продолжая двигаться под действием гидроцилиндра, установит золотник в нейтральное положение. Поворот управляемых колес автомобиля прекратится, так как жидкость начнет сливаться в бачок.
При увеличении сопротивления повороту колес автомобиля возрастает давление жидкости как в рабочей полости цилиндра, так и в реактивных камерах распределителя. При повышении давления золотник стремится вернуться в нейтральное положение. Поэтому водитель должен приложить к рулевому колесу большее усилие, что помогает обеспечить «чувство дороги» так же, как и при управлении автомобилем без усилителя. В корпусе распределителя установлен обратный клапан, перепускающий жидкость из одной полости гидроцилиндра в другую при неработающем гидроусилителе, что позволяет управлять автомобилем при неработающем двигателе (буксирование автомобиля). Следует отметить, что допускается лишь кратковременное управление автомобилем при неработающем усилителе, так как при этом на рулевом колесе, а следовательно, и во всех деталях механизма рулевого управления нагрузки могут быть значительные.
Рулевое управление колесных тракторов и автомобилей
Рулевое управление машины с передними управляемыми колесами состоит из переднего моста, трапеции управления, рулевого привода и рулевого механизма (рис. 10.1). Передние колеса устанавливаются на цапфах 8, соединенных с передней осью 5, образуя передний мост.
На цапфах закреплены поворотные рычаги 7, связанные шарнирно с продольными тягами 6. Поворотные рычаги 7 и продольные тяги 6 с передней осью 5 составляют трапецию управления, предназначенную для поворота колес.
Поворотные рычаги 7и продольные тяги 6 соединены с рулевой сошкой 10, сидящей на валу 11. Рулевая сошка 10 и вал 11 образуют рулевой привод, передающий усилие от сошки к поворотным цапфам.
Рнс. 10.1. Схема рулевого управления:
- 1 — рулевой механизм; 2 — карданная передача; 3 — рулевое колесо; 4— рулевой вал; 5 — передняя ось; 6 — продольная тяга;
- 7— поворотный рычаг; 8 — поворотная цапфа; 9 — ступица колеса; 10— рулевая сошка; 11 — вал рулевой сошки
Усилие к рулевому механизму передается от рулевого колеса 3, сидящего на валу 4, через карданную передачу 2.
В рулевых механизмах применяются передачи типа червяк — ролик, червяк — сектор, червяк — червячная шестерня и др. Передачи первого типа наиболее распространены в рулевых механизмах тракторов и грузовых автомобилей.
Расположение рулевого управления тракторов правое, благодаря чему создаются условия для лучшего наблюдения за работой агрегата и более точного его вождения при выполнении ряда технологических операций (пахота, косьба и т.д.). На отечественных автомобилях принято левое (по ходу) рулевое управление, обеспечивающее лучший обзор.
В целях облегчения управления трактором или автомобилем применяются усилители рулевого управления преимущественно гидравлического типа (тракторы К-744Р, ХТЗ-150К, МТЗ-80.1, автомобиль КамАЗ-5320).
Рассмотрим работу гидроусилителя рулевого механизма трактора МТЗ-80.1 (рис. 10.2). Гидроусилитель включает в себя: насос 9, реверсивный распределитель, редукционный 1 и предохранительный 7клапаны, гидроцилиндр, фильтр 8 и датчик автоматической блокировки дифференциала (АБД) заднего моста. Функцию бака и радиатора выполняет корпус 22.
При работе двигателя шестеренный насос 9 под давлением подает масло в реверсивный распределитель, где этот поток направляется в полость А или Б гидроцилиндра в зависимости от поворота рулевого
Рис. 10.2. Схема гидроусилителя рулевого механизма и гидропривода механизма блокировки дифференциала заднего моста трактора МТЗ-80.1:
- 1 — редукционный клапан; 2— крышка распределителя; 3 — гайка;
- 4 — золотник; 5 — ползун; 6 — центрирующая пружина; 7 — предохранительный клапан; 8— фильтр; 9 — насос; 10— эксцентричная втулка; 11 — червяк;
- 12 — сектор; 13 — сошка; 14 — рейка; 15 — упор рейки; 16 — цилиндр блокировки; 17 — маслопровод датчика; 18— маховичок крана; 19 — кран датчика; 20 — щуп; 21 — золотник датчика; 22 — корпус гидроусилителя;
- 23 — задняя крышка цилиндра; 24 — шток; 25 — поршень; 26 — передняя крышка цилиндра; 27 — маслопровод клапана блокировки; 28 — поворотный вал; А — бесштоковая полость; Б — штоковая полость
колеса и на слив через редукционный клапан 1 и фильтр 8 или через кран 19 и золотник 2/датчика АБД.
При повороте рулевого колеса направо червяк 11, ввинчиваясь в зубчатый сектор 12, поворачиваемый несимметричным гидроцилиндром против часовой стрелки, преодолевает неуравновешенную часть силы предварительного сжатия пружин 6, дополнительно сжимает их и вместе с золотником 4 смещается вперед. Это вызывает соединение полости Б с напорной гидролинией насоса 9, а полости А — со сливной гидролинией, по которой масло поступает через редукционный клапан 1 в бак и в кран 19 соединенный с полостью АБД. Под действием давления масла поршень 25 через шток 24 и зубчатую рейку 14 помогает червяку 11 поворачивать зубчатый сектор 12 и вал 28 сошки по часовой стрелки, а управляемые колеса — направо.
При повороте налево червяк 11, вывинчиваясь из зубчатого сектора 12, преодолевает силу предварительного сжатия пружин б и вместе с золотником 4 стремится сместиться назад. При этом зубчатый сектор 12, поворачиваемый несимметричным гидроцилиндром, смещает их вперед. Поэтому для установки золотника 4 в крайнее заднее положение рулевое колесо необходимо поворачивать быстрее и действовать на него большей, чем при правом повороте, силой.
Это вызывает соединение полости А гидроцилиндра с напорной гидролинией насоса 9, а полости Б — со сливной гидролинией, по которой масло также поступает через редукционный клапан 1 в бак и в кран 19, соединенный с полостью АБД. Под действием давления масла поршень 25 через шток 24 и зубчатую рейку 14 помогает червяку 11 поворачивать зубчатый сектор 12 и вал 28сошки против часовой стрелки, а управляемые колеса — налево.
Редукционный клапан 1 поддерживает в гидролинии слива избыточное давление 0,7— 1 М Па, необходимое для срабатывания коротко- ходного гидроцилиндра 16 АБД.
На современных отечественных и зарубежных тракторах широкое применение находит гидрообъемпоерулевое управление (ГОРУ). Основной особенностью данного рулевого управления является отсутствие кинематической связи между рулем и управляемыми колесами. Функцию этой связи выполняет статическая гидропередача вращательнопоступательного движения с гидроусилителем следящего действия. ГОРУ упрощает компоновку и повышает удобство управления машиной, применяется на тракторах МТЗ-1221, MT3-1523 идр.
Основой гидрообъемного рулевого управления служит насос- дозатор, предназначенный для подачи управляющего потока масла, прямо пропорционального углу поворота его ротора рулевым колесом с любой скоростью. В качестве насос-дозаторов применяют планетарные с внутренними зубьями, пластинчатые и аксиально-поршневые насосы. Рулевое управление с насосом-дозатором и гидроусилителем выполняется одно- или двухконтурным.
Управляемые (направляющие) колеса трактора (автомобиля) должны быть установлены правильно, чтобы износы шин и затраты мощности на качение были наименьшими, устойчивость хорошей, а управление легким.
Установка управляемых (передних) колес характеризуется их развалом в вертикальной плоскости и схождением в горизонтальной, а также наклоном шкворней поворотных цапф в продольной и поперечной плоскостях.