Рулевое управление автомобиля предназначено для изменения направления движения.

В большинстве случаев изменение направления движения автомобиля осуществляется поворотом управляемых колёс в горизонтальной плоскости рис. 10.1.

Реже используется для поворота торможение колёс одного борта или складывание сцепного устройства в горизонтальной плоскости (одноосные тягачи). Управляемыми могут быть колёса одной или нескольких осей автомобиля. На рис. 10.1а. показана схема поворота автомобиля при управлении колёсами передней оси. Если считать колёса жёсткими, то поворот автомобиля в этой схеме будет проходить вокруг центра О, расположенного в точке пересечения осей обоих управляемых колёс с осью задних. Все колёса будут катиться по дугам окружностей без бокового скольжения. При этом управляемые колёса должны быть повёрнуты на разные углы q _В и q _Н. Угол поворота внутреннего колеса q _В больше угла поворота наружного q _Н. Зависимость между углами имеет вид:

ctgq _Н = ctgq _В + В/L,

где В - расстояние между осями поворотных цапф, L-база автомобиля.

Способность автомобиля поворачиваться на заданной площади (поворачиваемость) характеризуется минимальным радиусом поворота:

R_min = L/sinq _Нmax,

где q _Нmax - максимальный угол поворота наружного колеса. У современных автомобилей q _Нmax » 30° , поэтому минимальный радиус поворота приблизительно в 2 раза больше базы автомобиля. При управлении колёсами передней и задней осей (схема рис. 10.1б) минимальный радиус поворота уменьшается вдвое R_{n min} = L/(2sinq _Нmax).

Важным параметром управляемости является ширина габаритного коридора (рис. 10.1в), в который вписывается автомобиль при повороте. На рисунке показана схема определения этой ширины В_г для трехосного автомобиля.

10.1. Состав рулевого управления

Рулевое управление включает рулевой механизм, который осуществляет передачу усилия от водителя к рулевому приводу, и рулевой привод, осуществляющий передачу усилия от рулевого механизма к управляемым колёсам.

На рис. 10.2 представлена типичная схема рулевого управления для автомобиля с передними управляемыми колёсами и зависимой подвеской передней оси. Здесь каждое управляемое колесо установлено на поворотной цапфе 13, соединенной с балкой 11 моста шкворнем 8. Шкворень неподвижно закреплён на балке и его верхний и нижний концы входят в проушины цапфы. При повороте цапфы за рычаг 7 она вместе с колесом поворачивается вокруг шкворня. Поворотные цапфы соединены между собой рычагами 9 и 12, а также поперечной тягой 10, поэтому колёса поворачиваются одновременно. Поворот управляемых колёс осуществляется при вращении водителем рулевого колеса 1. От него вращение передаётся через вал 2 на червяк 3, находящийся в зацеплении с сектором 4. На валу сектора закреплена сошка 5, которая через продольную тягу 6 и рычаг 7 поворачивает цапфы с управляемыми колёсами.

Рулевое колесо 1, вал 2, червяк 3 и сектор 4 образуют рулевой механизм. Здесь благодаря червячной передаче происходит увеличение усилия, прикладываемого водителем к рулевому колесу. Сошка 5, продольная тяга 6, рычаги 7, 9 и поперечная тяга 10 составляют рулевой привод. Тяга 10, рычаги 9, 12 и балка 11 образуют рулевую трапецию. Её конфигурация определяет соотношение углов поворота управляемых колёс.

В России принята правосторонняя система движения, поэтому рулевое колесо для лучшей видимости при разъезде его с встречным транспортом устанавливают с левой стороны кабины.

10.2. Рулевые механизмы

Рулевой механизм должен обеспечить лёгкий поворот управляемых колёс, что возможно при достаточно большом передаточном отношении в нём. Однако слишком большое передаточное отношение увеличивает время поворота, поэтому его ограничивают. Для легковых автомобилей i_р.м = 12…20, а для грузовых - 15…25, для облегчения управления применяют специальные усилители.

Иногда передаточные отношения делают переменным по ходу рулевого колеса. В среднем положении его делают большим чтобы уменьшить удары на рулевое колесо при наезде на неровности дороги, а в крайних положениях i_р.м делают меньше, что сокращает время поворота.

В процессе эксплуатации детали рулевого механизма изнашиваются, особенно в средней части зацепления, соответствующей прямолинейному движению. Износ приводит к увеличению свободного хода в рулевой системе, что снижает безопасность. По этой причине в рулевых механизмах любой конструкции должна быть предусмотрена возможность регулировки зазоров в зацеплениях.

Рулевые механизмы в современных автомобилях разделяют на: червячные, винтовые и шестеренчатые.

В червячном рулевом механизме момент от рулевого колеса к приводу передаётся от червяка, закреплённого на рулевом валу, к червячному сектору, установленному на одном валу с сошкой. У многих рулевых механизмов червяк выполняют глобоидным, а зубья сектора заменяют роликом, вращающимся на подшипниках. Здесь сохраняется зацепление до больших углов поворота, снижаются потери на трение и износ деталей червячной пары.

В винтовом рулевом механизме вращение винта преобразуется в прямолинейное перемещение гайки, на которой нарезана зубчатая рейка, входящая в зацепление с зубчатым сектором. Сектор установлен на валу сошки. Для уменьшения трения соединение винт-гайка осуществляют через шарики. Передаточное число в таком механизме определяется отношением размера начальной окружности сектора к шагу винта.

К шестеренчатым рулевым механизмам относят реечные механизмы и механизмы с коническими зубчатыми передачами.

10.3. Конструкция рулевых механизмов

На рис. 10.3. показан червячный рулевой механизм с глобоидным червяком 5 и трехгребневым роликом 8. Червяк установлен в картере 4 на конических роликовых подшипниках 6. Беговые дорожки для роликов обоих подшипников выполнены прямо на червяке. Наружное кольцо нижнего подшипника упирается в крышку 2, закрепленную на картере болтами. Между крышкой и картером поставлены прокладки 3 для регулировки натяга подшипников. Червяк насажен плотно на шлицах вала. На верхнем конце вала имеется лыска. С помощью клина и лыски вал соединяется с карданным шарниром 7, связывающим его с рулевым колесом. В картере установлен вал 9 сошки 1. Опорами вала 9 служат втулки, запрессованные в расточку картера и крышку 14. Трехгребневый ролик 8 установлен в пазу головки вала сошки на оси с помощью двух роликовых подшипников. С обеих сторон ролика на его оси поставлены стальные полированные шайбы. На конце вала 9 нарезаны конические шлицы, на которых гайкой закреплена рулевая сошка 1. Выходы валов уплотнены сальниками. На нижнем конце вала сошки имеется кольцевой паз, в который плотно входит упорная шайба 12. Между шайбой и торцом крышки 14 находятся прокладки 13, используемые для регулирования зацепления ролика с червяком. Шайбу 12 с прокладками 13 крепят гайкой 11. Положение гайки фиксируется стопором 10, привернутый к крышке болтами.

Зазор в зацеплении передачи переменный. Он минимальный при нахождении ролика в средней части червяка и увеличивается по мере поворота рулевого колеса в ту или другую сторону. Такой характер изменения зазора в новой рулевой передаче позволяет неоднократно восстанавливать зазор в средней части по мере износа деталей без опасности заедания ролика по краям червяка.

На рис. 10.4 показан рулевой механизм с цилиндрическим червяком и боковым сектором. В нём на конец трубчатого вала 12 напрессован червяк 4. Вал установлен в картере 7 на подшипниках 3 и 8. Предварительный натяг в подшипниках регулируется прокладками 9. Зубья червячного сектора 5 нарезаны на боковой поверхности, выполненной зацело с валом сошки. Вал установлен в картере на двух игольчатых подшипниках 13 и 14. На конце вала на конусных шлицах закреплена сошка. Зацепление выполнено таким образом, что зазор увеличивается по мере поворота вала от среднего положения. Минимальный зазор в среднем положении определяется толщиной шайбы 15.

Из винтовых механизмов на отечественных автомобилях часто применяются механизмы типа винт-шариковая гайка-сектор.

Винт 4 рис. 10.5 установлен на двух конических роликовых подшипниках 5 и 12. Он приводится во вращение от вала рулевого колеса. На винте нарезаны винтовые канавки полукруглого профиля. Такие же канавки нарезаны в гайке 8, свободно надетой на винт. При совмещении канавок в винте и гайке образуется винтовой канал, в который заложены стальные шарики. В гайку вставлены две направляющие трубки 2, соединяющие концы винтовых каналов со средней частью гайки. В этих трубках тоже находятся шарики. Трубки вместе с винтовыми каналами образуют для шариков два замкнутых желоба. При вращении винта шарики, находящиеся у торцов гаек, выкатываются в концы трубок, а по ним перемещаются к средней части гайки, откуда, по винтовым каналам снова двигаются к торцам гайки.

На поверхности гайки нарезана зубчатая рейка, находящаяся в зацеплении с зубчатым сектором 9. Он выполнен зацело с валом рулевой сошки и поворачивается на трёх игольчатых подшипниках 14, 16. На одном конце вала закреплена сошка 13, другой конец соединён с регулировочным винтом 17, которым регулируют зазор в зацеплении наклонных зубьев сектора с рейкой.

На рис. 10.6 показано рулевое управление с реечным рулевым механизмом, наиболее часто применяемым на легковых автомобилях особо малого и малого классов.

При повороте рулевого колеса 1 шестерня 2 перемещает рейку 3, от которой усилие передаётся на рулевые тяги 5. Тяги 5 за поворотные рычаги 4 поворачивают управляемые колёса. Рейка 3 и шестерня 2 выполнены косозубыми. Вал 8 вращается на двух упорных подшипниках 10 и 14, натяг которых осуществляется кольцом 9 и верхней крышкой 7. Упор 13, прижатый пружиной 12 к рейке, воспринимает радиальные усилия, действующие на рейку. Постоянное прижатие рейки к шестерне обеспечивает точность зацепления пары.

В рулевых устройствах вал рулевого колеса проходит сквозь рулевую колонку, которая крепится на кронштейне кабины (кузова).

В целях безопасности при лобовых столкновениях вал делают или телескопическим или шарнирно сочлененным, что обеспечивает его складывание при ударе. Существуют и другие типы безопасных конструкций рулевого вала. В верхней части рулевой колонки на современных автомобилях крепят устройства управления светотехническими приборами, стеклоочистителями и звуковым сигналом, а также устанавливают замки зажигания и другие элементы.

Детали рулевых механизмов работают в условиях жидкой смазки, заливаемой в картер рулевого механизма.

10.4. Рулевой привод

При повороте колёс или наезде на препятствие детали рулевого привода перемещаются друг относительно друга как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Для обеспечения свободы этих перемещений, при условии надёжной передачи усилий, соединения продольной тяги 6, рис. 10.2 с сошкой 5 и рычагом 7, а также соединения поперечной тяги 10 с рычагами 9 и 12 осуществляют, в большинстве случаев, шаровыми шарнирами рис 10.7. На автомобилях повышенной проходимости иногда соединения поперечной тяги с рычагом поворотных цапф осуществляют с помощью цилиндрических пальцев.

Продольную тягу 1, рис. 10.7а, делают трубчатой с двумя шарнирами по концам. Шарнир включает палец 3, сухари 4 и 7, пробку 5, пружину 8, ограничитель 9. При затягивании пробки 5 головка пальца зажимается сухарями, а пружина 8 сжимается. Пружина не допускает зазоров, появляющихся в результате износов, и смягчает толчки, передаваемые от колёс на рулевой привод. Ограничитель предотвращает чрезмерное сжатие пружин. Шарниры располагают в тяге относительно пальцев 2 и 3 так, чтобы через пружины передавались усилия, действующие на тягу от сошки 6 и от поворотного рычага.

В поперечной рулевой тяге шарниры размещают в наконечниках, навинченных на концы тяги. Резьба на концах тяги обычно имеет разное направление, поэтому, вращением тяги 9, рис. 10.7б, при неподвижных наконечниках 11 можно регулировать длину тяги при регулировке схождения колёс. Пальцы 15 жёстко крепятся в рычагах поворотных цапф. Шаровой поверхностью палец прижимается предварительно сжатой пружиной 12 через пятку 13 к сухарю 14. Такое устройство позволяет непосредственно передавать усилие от пальца на тягу и в обратном направлении. Пружина 12 устраняет зазор в соединении при износе деталей.

Отличие шарниров в поперечной и продольной тягах заключается в том, что в продольной тяге усилие передаётся через пружину, а в поперечной непосредственно. Это делается во избежание поперечных колебаний колёс.

Шарниры смазываются через маслёнки. Иногда смазка закладывается при сборке на заводе и в эксплуатации не возобновляется.

Выше рассмотрена конструкция и принцип действия рулевого привода при зависимой подвеске управляемых колёс. При независимой подвеске колёс конструкция рулевого привода иная. На рис 10.8 представлена конструктивная схема такого привода. Основная особенность заключается в том, что поперечная тяга в такой схеме обычно состоит из трёх частей: средней тяги 8 и шарнирно соединённых с ней двух боковых тяг 4 и 9. Средняя тяга одним концом соединена с сошкой 6, а другим – с маятниковым рычагом 5, поворачивающимся вокруг опоры на кузове автомобиля. Шарнир, соединяющий каждую боковую тягу со средней, близко расположен к оси качания колеса. При деформации подвески это исключает самопроизвольный поворот колёс.

10.5. Усилители рулевого управления

Усилители предназначены для снижения усилия на рулевом колесе и повышения безопасности движения автомобиля при действии со стороны дороги на управляемые колеса неуравновешенных усилий. Усилитель должен обладать следящим действием, высокой чувствительностью и динамической устойчивостью (отсутствие автоколебаний), обеспечивать возможность управления автомобилем в случае выхода усилителя из строя, не допускать включения усилителя при случайных воздействиях со стороны дороги при прямолинейном движении.

Кинематическое слежение заключается в повороте управляемых колес в соответствии с поворотом рулевого колеса и его направлением. Силовое слежение обеспечивает пропорциональность усилия на рулевом колесе усилию, необходимому для поворота управляемых колес.

Усилители бывают гидравлические и пневматические. В их состав входит источник энергии (гидронасос с аккумулятором или компрессор с ресивером), распределитель, исполнительный механизм и соединительные трубопроводы. Распределитель осуществляет подвод энергии жидкости под давлением или сжатого газа к исполнительному механизму – гидро- (пневмо-) цилиндру. В последнем энергия жидкости (воздуха) преобразуется в усилие, передающееся на управляемые колеса.

Источником энергии в системе гидроусилителя, как сказано выше, является гидронасос. Наиболее распространены пластинчатые и шестеренные насосы. Они обеспечивают в автоматическом режиме требуемые расходы и давление, получая вращение от двигателя автомобиля.

При повороте рулевого колеса рис. 10.9, например, вправо, сошка 12 рулевого механизма 14 повернется по ходу часовой стрелки и сместит золотник 9 распределителя 8 назад по отношению к принятому направлению движения автомобиля. В результате жидкость от насоса 2 подается через распределитель в полость А и гидроцилиндр 7 начинает поворачивать управляемые колеса 4 вправо. При этом полость Б цилиндра соединена со сливной магистралью 1.

После прекращения поворота рулевого колеса управляемые колеса под давлением рабочей жидкости на поршень цилиндра продолжают поворачиваться направо. Под действием рычага 5 и тяги 3 корпус распределителя смещается назад и перекрывает доступ жидкости в полость А цилиндра усилителя. Поворот управляемых колес прекращается. Таким образом, управляемые колеса поворачиваются в соответствии с поворотом рулевого колеса. Кинематическое следящее действие придает обратная связь (рычаг 5 и тяга 3), которой управляемые колеса соединяются с корпусом распределителя. Силовое следящее действие достигается введением реактивных элементов: камер или плунжеров. В приведенной схеме силовое слежение достигается с помощью реактивных камер 6 и 10, в которые через колиброванные отверстия поступает жидкость из нагнетательной магистрали. Она воздействует на вверхний или нижний торец золотника 9 в зависимости от направления поворота автомобиля. В результате усилие, необходимое для смещения золотника, зависит от давления в нагнетательной магистрали 11, которое, в свою очередь, определяется моментом сопротивления повороту управляемых колес.

Усилитель может вступать в работу не только под действием сил от рулевого колеса, но и от сил, передаваемых от управляемых колес. Предположим, что от толчка управляемое колесо повернулось вправо. Вследствие обратной связи колеса 4 через рычаг 5 и тягу 3 с корпусом распределителя 8, последний перемещается относительно неподвижного золотника вниз (по рисунку) и жидкость от насоса подастся в полость Б гидроцилиндра. В результате жидкость под давлением создаст препятствие для поворота колеса вправо. Таким образом, усилитель удерживает колеса в положении, соответствующем положению рулевого колеса. Чтобы исключить включение усилителя при действии незначительных сил со стороны управляемых колес в распределителе в полостях 6 и 10 устанавливают центрирующие пружины. И, если сила со стороны колес на распределитель меньше усилия предварительного сжатия пружин, то распределитель не включается в работу, кроме того, самопроизвольному включению усилителя препятствует давление жидкости в реактивных камерах 6 и 10.

В зависимости от относительного расположения элементов различают 4 схемы компоновки усилителей (рис.10.10).

При первой схеме распределитель, гидроцилиндр и рулевой механизм выполнены в едином блоке, рис. 10.10а. Эта схема компактна, имеет минимальное число шлангов, не склонна к автоколебаниям из-за высокой жесткости гидравлических магистралей. Но здесь весь рулевой привод нагружается усилием от гидроцилиндра, приложенным к валу сошки.

Во второй схеме, рис.10.10б, гидроусилитель объединен в блок с рулевым механизмом, а гидроцилиндр расположен отдельно. Здесь привод не нагружен усилием от гидроцилиндра. Он имеет малую склонность к автоколебаниям, легко компонуется, гидроцилиндр, расположенный близко к управляемым колесам, воспринимает динамические нагрузки при ударах.

При третьей схеме, рис.10.10в, гидрораспределитель и гидроцилиндр объединены, а рулевой механизм расположен отдельно. В этом случае гидроцилиндр нужно располагать в строгом соответствии с рулевым механизмом, так как шаровой палец сошки должен управлять работой распределителя.

В четвертой схеме рулевой механизм, распределитель и силовой цилиндр размещены автономно. Эта схема наиболее гибка с точки зрения компоновки и унификации элементов, но имеет много шлангов и склонна к автоколебаниям.

Рассмотрим конструкцию и работу гидроусилителя, встроенного в рулевой механизм на примере рулевого управления автомобиля ЗИЛ 431410 (рис. 10.11).

Давление жидкости в системе гидроусилителя создается лопастным насосом, приводимым от двигателя. Винт 4 может незначительно перемещаться в осевом направлении вследствие разности длины золотника 12 и корпуса 13. Это перемещение равно примерно 1,1 мм. в каждую сторону.

На золотнике имеется три пояска, а в корпусе распределителя три окна в виде кольцевых канавок. Золотником в корпусе образовано две камеры В и Г.

Жидкость от насоса поступает по шлангу в среднее окно, а отводится от распределителя из двух крайних окон через другой шланг. В корпусе распределителя имеется шесть каналов, в каждом из которых установлено между промежуточной 9 и верхней 16 крышками по два реактивных плунжера 23. Каждая пара плунжеров разжимается центрирующей пружиной 22. Предварительное сжатие пружин 22 осуществляется при завертывании гайки 15. Внутренние полости каналов между парами плунжеров соединяются со средним окном корпуса. В корпусе распределителя имеется шариковый клапан 11, соединяющий напорную магистраль со сливной, когда насос усилителя не работает.

Картер рулевого механизма служит гидроцилиндром. Поршень 3 делит гидроцилиндр на две полости А и Б, каждая из которых соединена с соответствующими камерами распределителя.

При прямолинейном движении автомобиля реактивные плунжеры, находящиеся под действием сжатых пружин и давления масла, заставляют золотник 12 занять в корпусе 13 среднее положение (1-й рис.10.11б). В этом случае между большими кольцами упорных подшипников и торцами корпуса распределителя будут, примерно, одинаковые зазоры Т/2. Масло от насоса проходя через камеры В и Г распределителя поступает в сливную магистраль.

При повороте, например, вправо винт 4 (2-й рис.10.11б), вывертывается из гайки и перемещается вместе с золотником до упора большого кольца подшипника в торец корпуса. Усилие центрирующих пружин на реактивные плунжеры будет передаваться на рулевое колесо. Зазор между подшипником 14 и торцом корпуса будет максимальным, равным Т. Камера В будет отсоединена от сливной магистрали, а камера Г от насоса и жидкость от насоса поступит в полость А цилиндра. Давление в ней возрастет и начнет вместе с силой, передающейся на поршень от рулевого колеса, перемещать поршень, и управляемые колеса повернутся.

Вместе с поршнем в осевом направлении будут перемещаться и винт с золотником (обратная связь) до тех пор, пока золотник не займет в корпусе нейтральное положение. Аналогично работает усилитель и при повороте влево.

Давление жидкости, действующее на реактивные плунжеры, повышается по мере увеличения сопротивления повороту колес, вследствие этого увеличивается и сила на рулевом колесе.