Рулевое управление
Рулевое управление служит для изменения направления
движения автомобиля поворотом управляемых колес.
Рулевое управление включает:
• рулевой механизм;
• рулевой привод;
• рулевой усилитель (у некоторых моделей автомобилей).
Рулевое управление — устройство, в значительной степени
обеспечивающее безопасность движения, вследствие
чего к нему предъявляются повышенные требования:
• обеспечение хорошей маневренности автомобиля с минимальным
радиусом поворота;
• легкость управления;
• минимальное боковое скольжение колес при повороте;
• минимальная передача толчков на рулевое колесо;
• исключение возможности возникновения автоколебаний
управляемых колес;
• исключение самопроизвольного поворота управляемых
колес;
• повышенная надежность, так как выход из строя рулевого
управления приводит к аварии.
На большинстве автомобилей управление осуществляется
поворотом управляемых колес, что наиболее целесообразно
для легковых автомобилей, автобусов и грузовых автомобилей
общего назначения. Такой же способ управления
применяется на внедорожных автомобилях большой грузоподъемности
с использованием специальных компоновочных
решений.
В двухосных автомобилях, как правило, управляемыми
являются передние колеса. Исключение составляют специальные
автотранспортные средства с задними управляемыми
колесами (автопогрузчики). В трехосных автомобилях,
имеющих сближенные оси задней тележки, управление осуществляется
передними колесами (ЗИЛ, КамАЗ). Для повышения
маневренности и проходимости иногда в трехосных
автомобилях управляемыми являются колеса крайних
осей — передней и задней. В этом случае промежуточную
ось размещают посередине базы автомобиля.
В 50-е годы имели развитие конструкции автопоездов,
состоящих из одноосного автомобиля-тягача и одноосного
прицепа, шарнирно-связанных между собой и принудительно
поворачиваемых один относительно другого при выполнении
маневра.
Управление при помощи торможения колес одного борта
или их вращения в сторону, обратную движению, применяются
крайне редко и только на многоосных автомобилях.
Расположение рулевого колеса зависит от принятого в
стране направлении движения. Правое рулевое управление
применяется в странах с левосторонним движением (Великобритания,
Япония), левое — в странах с правосторонним
движением (страны Европы, исключая Великобританию,
Америки и др.)
Рулевой механизм обеспечивает поворот управляемых
колес с небольшим усилием на рулевом колесе, что достигается
за счет увеличения передаточного числа рулевого механизма.
Рулевой механизм включает в себя:
• рулевую пару (иногда называют рулевой передачей),
размещенную в картере;
• рулевой вал, исходя из условий компоновки рулевого
механизма, может состоять из двух или трех частей,
соединяемых карданными шарнирами;
• рулевое колесо.
Рулевые механизмы в зависимости от типа рулевой передачи
разделяют на:
• шестеренные;
• червячные:
• винтовые;
• кривошипные.
Шестеренные рулевые механизмы выполняются в виде
редуктора зубчатых колес (применяются редко) или в виде
пары из шестерни и рейки. Реечные рулевые механизмы
получают все более широкое применение на легковых автомобилях
малого класса (ВАЗ-2108, ЗАЗ-1102, ВАЗ-1111), среднего
и даже большего классов. Достоинствами реечных рулевых
механизмов являются простота и компактность конструкции.
Такой механизм без усилителя целесообразно устанавливать
только на легковых автомобилях малого класса,
так как в этом случае толчки со стороны дороги на рулевое
колесо в некоторой степени поглощаются в результате
трения рейки и металлокерамического упора. На легковых
автомобилях более высокого класса необходим рулевой усилитель,
который поглощает толчки.
Червячные рулевые механизмы применяют как на легковых,
так и на грузовых автомобилях и автобусах. Наибольшее
распространение получили червячно-роликовые механизмы
(заднеприводные модели ВАЗ, A3ЛK-2140, ..3-3102,
..3-53., УАЗ и др.). На некоторых автомобилях («Урал4320
») устанавливают червячно-спироидальные рулевые механизмы
с боковым сектором. В рулевой паре этого типа
обеспечивается достаточно малое давление на зубья при передаче
больших усилий.
Винтовые рулевые механизмы имеют различное конструктивное
исполнение:
• винторычажные («винт — гайка — рычаг», «качающаяся
винт и гайка», «винт и качающаяся гайка»);
• винтореечные.
Винторычажные рулевые механизмы в настоящее время
применяются редко, так как износ деталей пары компенсировать
регулировкой невозможно.
Широко применяются на грузовых автомобилях всех типов
(ЗИЛ, КамАЗ, КАЗ и др.) и автобусах винтореечные
рулевые механизмы, включающие в себя винт, шариковую
гайку-рейку и сектор, выполненный за одно целое с валом
сошки. На ряде автомобилей (ГАЗ, КрАЗ) в настоящее время
применяют винтореечные механизмы, в которых зубья
нарезаны параллельно оси вала сошки, то есть не имеют
клиновидной формы.
Кривошипные рулевые механизмы применяются сравнительно
редко. Одношиповые рулевые механизмы до середины
40-х годов устанавливали на грузовых автомобилях ЗИС.
Двухшиповые рулевые механизмы позволяют увеличить угол
поворота вала сошки и снизить давление на шип. Рулевые
механизмы этого типа могут быть регулируемыми.
Травмобезопасные рулевые механизмы являются одним
из элементов пассивной безопасности автомобиля. Рулевой
механизм может быть причиной серьезной травмы водителя
при лобовом столкновении автомобиля с препятствием.
При смятии передней части автомобиля весь рулевой механизм
перемещается в сторону водителя. Водитель может
получить травму даже при разном перемещении вперед при
столкновении. Поэтому картер рулевого механизма распо
лагают в таком месте, где деформация при столкновении
будет наименьшая.
Существуют различные конструкции травмобезопасных
рулевых механизмов. Основное требование к ним — поглощение
удара, наносящего травму водителю. Для придания
рулевым механизмам травмобезопасных свойств устанавливают
рулевое колесо с утопленной ступицей и с двумя
спицами, что позволяет значительно снизить тяжесть наносимых
повреждений при ударе. Кроме этого устанавливается
специальный энергопоглощающий элемент.
Рулевой механизм автомобиля ВАЗ-2121 состоит
из трех частей, связанных карданными шарнирами. При
любом ударе рулевой вал складывается. При этом перемещение
верхней части рулевого механизма внутрь салона незначительно
и сопровождается некоторым поглощением энергии
удара на деформацию кронштейна крепления рулевого вала.
На автомобиле ГА3 3102 энергопоглощающий элемент
травмобезопасного рулевого механизма представляет собой
резиновую муфту, установленную между верхней и нижней
частями рулевого вала.
В ряде зарубежных конструкций энергопоглощающим
элементом рулевого механизма служит сильфон,
соединяющий рулевое колесо с рулевым валом, или сам вал
в верхней части представляет собой перфорированную трубу.
Некоторое применение находят энергопоглощающие элементы
рулевых механизмов («японский фонарь»), в которых
две части рулевого вала соединяются при помощи нескольких
продольных пластин, привариваемых к концам соединяемых
валов и деформируемых при ударе.
Рулевой привод включает в себя:
• рулевую трансмиссию;
• рычаги и тяги, связывающие рулевой механизм с рулевой
трансмиссией;
• рулевой усилитель.
Травмобезопасный рулевой механизм автомобиля ВАЗ-2121
Травмобезопасный рулевой механизм автомобиля ГА3-3102:
В зависимости от компоновки рулевую трапецию располагают перед осью (передняя рулевая трапеция) или
за ней (задняя рулевая трапеция). При зависимой подвеске
колес применяют трапеции с цельной поперечной тягой, при
независимой подвеске — только трапеции с рычажной поперечной
тягой, что необходимо для предотвращения самопроизвольного
поворота управляемых колес при их колебаниях
на подвеске. При зависимой и независимой подвесках могут
применяться как задняя, так и передняя трапеции.
Поперечная тяга изготовляется из бесшовной стальной
трубы, на резьбовые концы которой навертываются наконечники
с шаровыми кольцами. Длина поперечной тяги
должна быть регулируемой, так как она определяет схождение
колес. При независимой подвеске регулирование осуществляют
поворотом поперечной тяги относительно наконечников.
Наличие зазоров в шарнирах поперечной тяги недопустимо.
Поэтому предпочтительно применение шарниров с
автоматическим регулированием зазора в процессе эксплуатации
автомобиля, что обеспечивается усилием пружины по
оси шарового кольца. Регулируемые шаровые наконечники
поперечной тяги, где зазор, образовавшийся в
результате изнашивания, выбирается вращением пробки,
сжимающей пружину.
Продольная тяга, связывающая сошку с поворотным
рычагом, применяется главным образом при зависимой подвеске.
Шаровые шарниры, размещенные по концам тяги,
поджимаются жесткими пружинами. Причем расположение
шарниров и пружин дает возможность несколько амортизировать
удары, воспринимаемые управляемыми колесами.
Рулевые усилители устанавливают на легковых автомобилях
высокого класса, грузовых автомобилях средней и
большой грузоподъемности, а также на автобусах. При этом
облегчается управление автомобилем, повышается его маневренность,
увеличивается безопасность при разрыве шины
(автомобиль можно удержать на заданной траектории). Однако
при применении усилителя несколько повышается износ
шин и ухудшается стабилизация управляемых колес.
Усилитель имеет следующие составные части:
• источник питания, в пневмоусилителе — компрессор,
в гидроусилителе — гидронасос;
• распределительное устройство;
• исполнительное устройство,
пневмо- или гидроцилиндр,
создающий необходимое усилие.
Пневмоусилители в настоящее время применяются редко.
Их применяли на грузовых автомобилях большой грузоподъемности,
имевших тормозное пневмоборудование.
Рулевое управление автомобиля с реечным механизмом
распространено на переднеприводных автомобилях.
Реечный рулевой механизм располагается в алюминиевом
картере, где на подшипниках установлен вал-шестерня,
находящийся в зацеплении с рейкой. Рейка прижимается
к шестерне металлокерамическим упором, который поджат
размещенной в пробке пружиной. За счет этого обеспечивается
беззазорное зацепление шестерни с рейкой по всему
ее ходу. Ход рейки в одну сторону ограничивается напрессованным
на нее кольцом, а в другую — втулкой резинометаллического шарнира тяги. Полость картера защищена
от грязи резиновым гофрированным чехлом.
Вал рулевого управления соединен с валом-шестерней
через упругую муфту. На верхней части вала, вращающейся
в подшипнике качения, на шлицах крепится рулевое колесо
через демпфер, который служит для повышения пассивной
безопасности.
Рулевой привод включает в себя составные рулевые
тяги, которые при помощи шаровых шарниров соединены
с поворотными рычагами стоек. Длина рулевой тяги изменяется
при помощи регулировочной тяги с внутренней
резьбой, которая навертывается на наконечники тяги и контрится
гайками. Изменение длины рулевых тяг позволяет
регулировать схождение колес. Поворотный рычаг приварен
к телескопической стойке и имеет отверстие, в которое
вмонтирована втулка для установки пальца шарового
шарнира.
Рулевое управление с механизмом передачи типа «червяк
— ролик» распространено на легковых и грузовых
заднеприводных автомобилях.
В автомобиле ВАЗ-2105 верхний рулевой вал вращается
в радиально-упорных шариковых подшипниках и соединен
с нижним через промежуточный вал, карданные шарниры
которого выполнены неразборными.
Редуктор рулевого механизма закреплен на лонжероне
кузова и представляет собой червячную пару. Червяк,
напрессованный на вал, вращается в радиально-упорных
подшипниках. Зазоры в подшипниках регулируются подбором
прокладок. Ролик, находящийся в зацеплении с червяком,
установлен на ось и вращается в подшипнике качения.
Рулевой привод включает в себя:
• рулевую сошку, шарнирно соединенную с ней среднюю
тягу и левую боковую тягу;
• маятниковый рычаг и шарнирно соединенную с ним
правую боковую тягу;
• поворотные рычаги.
Ось маятникового рычага вращается во втулках, вставленных
в кронштейне оси, который крепится к правому лонжерону
пола кузова. Боковые тяги состоят из двух наконечников,
соединенных разрезной регулировочной муфтой.
Для крепления тяг к рычагам и сошке используются однотипные
шаровые шарниры, состоящие из шарового кольца,
вкладыша с пружиной и опорной шайбы пружины. Палец
своей шаровой головкой вместе с вкладышем вставлен
в конусную расточку головки наконечника тяги, а вкладыш
поджат пружиной, что автоматически устраняет зазор, возникающий
по мере износа пальца и вкладыша. Шарнир защищен
резиновым чехлом и в процессе эксплуатации не
требует смазки.
Рулевое управление с механизмом передачи типа винт —
гайка — рейка — сектор с усилителем применяют в управлении
автомобиля ЗИЛ-130.
Усилитель рулевого управления конструктивно объединен
с рулевой передачей в один агрегат. Благодаря работе
этого механизма, усилие водителя при повороте рулевого
колеса увеличивается за счет давления жидкости, подаваемой
в усилитель гидронасосом. Рулевая колонка соединена
с рулевым механизмом через короткий карданный вал, так
как их оси не совпадают. Это сделано для уменьшения габаритных
размеров рулевого управления.
В систему гидравлического усилителя рулевого
механизма входят:
• лопастной насос, приводимый в действие от коленчатого
вала двигателя через ременную передачу:
• бачок для жидкости;
• цилиндр усилителя;
• клапан управления.
В цилиндре размещена поршень-рейка, находящаяся в
зацеплении с зубчатым сектором вала рулевой сошки. Через
винт рулевого механизма поршень-рейка связана с валом
рулевого механизма. Когда автомобиль движется по
прямой, жидкость от насоса проходит через клапан управления
и возвращается в бачок. Жидкость также заполняет
и обе полости (А и Б) цилиндра усилителя.
Поворот рулевого колеса в ту или иную сторону вызывает
перемещение золотника. При этом золотник отключает
одну из полостей цилиндра усилителя, увеличивая подачу
жидкости в другую полость. В результате в одной из
полостей образуется давление, которое передается в поршень-
рейку. Увеличение давления в полости А стремится
передвинуть поршень-рейку вправо, а увеличение в полости
Б — влево. Таким образом, усилие, прикладываемое водителем
к рулевому колесу, необходимо лишь для включения
гидроусилителя, который и обеспечивает в основном
поворот управляемых колес.
Для ограничения подачи жидкости при высоких скоростях
вращения вала гидронасоса имеется перепускной клапан,
а для предохранения системы от повышенного давления
— предохранительный клапан.