Устройство и виды рулевого управления автомобиля

Классификация рулевого управления

Принципиальных отличий между разными типами рулевого управления нет, но часто его классифицируют по типу редуктора рулевого механизма:

Тип редуктора «шестерня-рейка».

Устройство рулевого управления с редуктором типа «шестерня-рейка» 1 — руль; 2 — рулевой вал с шестерней; 3 — рейка; 4 — рулевые тяги; 5 — поворотные рычаги; 6 — колеса.

Это самая распространенная разновидность рулевого редуктора, которая за годы использования показала свою надежность.

Принцип действия очень простой: на рулевом валу (который отходит от рулевой колонки) закреплена продолговатая шестерня. Рулевая рейка имеет зубчатый участок, который входит в зацепление с этой шестерней. При вращении руля шестерня вращается на месте и толкает зубчатую рейку в одну или другую сторону. Соответственно приходят в действие и рулевые тяги.

Передаточное число на рейке может быть неизменным, а может меняться ближе к краям. Получить такой эффект просто: нужно изменить наклон зубьев на рейке. Благодаря этому для поворота на большой угол не нужно «крутить баранку» до посинения, количество оборотов руля для маневра сокращается.

Тип редуктора «червяк-ролик».

Устройство рулевого управления с редуктором типа «червяк-ролик»: 1 — руль; 2 — рулевой вал с червяком; 3 — ролик с валом сошки; 4 — рулевая сошка; 5 — средняя тяга; 6 — боковые тяги; 7 — поворотные рычаги; 8 — колеса; 9 — маятниковый рычаг; 10 — шарниры рулевых тяг.

Этот тип редуктора можно назвать устаревшим, поскольку его давно перестали устанавливать на автомобили. Тем не менее, он еще встречается на старых машинах.

В основе заложена червячная передача, в которой червяк закреплен на дополнительном валу рулевой колонки. При повороте руля вращается червяк и приводит в движение ролик, стоящий с ним в зацеплении.

Сдвигаясь по нарезке червяка, ролик заставляет вращаться вал, на который он установлен и к которому присоединен рычаг рулевой сошки. Вал вращается, рулевая сошка описывает полукруг, приводит в действие остальные элементы рулевого привода (среднюю тягу, маятниковый рычаг, боковую тягу, поворотные кулаки колес).

Винтовой тип редуктора.

Устройство редуктора рулевого управления винтового типа

По принципу действия он очень похож на червячный редуктор. Однако на дополнительном валу рулевой колонки установлен не червяк, а винт. Он входит в зацепление с гайкой, на наружную сторону которой нанесен зубчатый обод. Когда вращается винт, гайка поворачивается в одну или другую сторону и поворачивает рулевую сошку, а она уже направляет остальные компоненты рулевого привода.

В усовершенствованных моделях на винт ставится шариковая шайба, которая служит промежуточным элементом между ним и гайкой. При вращении винта шарики сдвигают шайбу, а она поворачивает гайку. Когда на легковые автомобили начали массово устанавливать гидроусилитель руля (ГУР), червячный редуктор вышел из обихода – к нему ГУР не поставишь. На его место пришел реечный привод, а винтовой «перекочевал» на тяжелые автомобили.

Кроме редуктора, в рулевом механизме могут отличаться типы передачи усилия на управляемые колёса. Более простой считается конструкция с реечным редуктором: от рулевой рейки отходят две рулевые тяги, которые крепятся к поворотным кулакам колес. Для того, чтобы соединение было подвижным, но без люфтов, используются шаровые наконечники.

На редуктор с червячной или винтовой передачей подходит другой тип рулевого механизма. Его называют рулевой трапецией и состоит он из довольно сложной системы рычагов. Сложность конструкции оправдывается большей мощностью, так что рулевая трапеция с винтовым редуктором ставится на грузовые автомобили, в то время как рулевая рейка лучше подходит для легковых.

И, наконец, систему рулевого управления классифицируют по типу усилителя: ГУР, ЭГУР и ЭУР.

1. ГУР – гидравлический усилитель, классический тип. Он и сегодня ставится на автомобили, но постепенно уступает дорогу более современным видам усилителя;
2. ЭГУР – электрогидравлический усилитель руля. В нём электромотор выполняет вспомогательную функцию, в то время как основная работа выполняется гидравликой;
3. ЭУР – электроусилитель, современный способ управлять автомобилем. Электромотор умножает усилие, которое водитель прикладывает к рулю, то есть работает без каких-либо гидравлических элементов.

МТЗ

Казалось бы, управление трактором кардинально отличается от опыта вождения легкового автомобиля, однако рулевое управление «МТЗ» (продукция Минского тракторного завода) по своей компоновке весьма сходно с управлением машины.

Система состоит из гидроусилителя руля и привода рулевого механизма. Существенным отличием является возможность изменения вертикального положения руля. Для того чтобы менять его, достаточно просто потянуть рукоятку справа от руля и подать его вперед до отказа. А после того как вы сядете в сиденье, потяните руль на себя до щелчка фиксатора.

Последним отличием от автомобилей служит схема срабатывания ГУР. Поскольку трактора не отличаются завидной скоростью, ГУР срабатывает только при движении со скоростью выше 10 км/ч или при движении в тяжелых дорожных условиях.

Мы рассмотрели устройство рулевого управления, теперь переходим к возможным его дефектам и неисправностям и к методам их устранения.

Основные типы приводов и рулевых механизмов

Рулевой механизм.

предназначен для поворота управляемых колес с небольшим усилием на рулевом колесе. Что достигается за счет увеличения передаточного числа рулевого механизма. Однако передаточное число ограничивается количеством оборотов рулевого колеса. Если выбрать передаточное число с количеством оборотов рулевого колеса больше 2-3, то существенно увеличивается время поворотаавтомобиля, что является недопустимым в условиях движения. В следствии этого производят огрничение передаточного числа в рулевых механизмах в пределах 20-30, а для уменьшения усилия на рулевом колесе в рулевой механизм или привод встраивают усилитель.

Ограничение передаточного числа рулевого механизма также связано со свойством обратимости (способностью передавать обратное вращение через механизм на рулевое колесо). При больших передаточных числах увеличивается трение в зацеплениях механизма, свойство обратимости пропадает и самовозврат управляемых колес после поворота в прямолинейное положение оказывается невозможным.

Рулевые механизмы в зависимости от типа рулевой передачи разделяют на:

• • червячные,
• • винтовые,

• шестеренчатые.

Рулевой механизм с передачей типа червяк — ролик имеет в качестве ведущего звена червяк, который закреплен на рулевом валу, а ролик установлен на роликовом подшипнике на одном валу с сошкой. Для полного зацепление при большом угле поворота червяка, нарезку червяка выполняют по дуге окружности — глобоиде. Такой червяк называют глобоидным.

В винтовом механизме вращение винта, связанного с рулевым валом, передается гайке, заканчивающейся рейкой, зацепленной с зубчатым сектором, а сектор установлен на одном валу с сошкой. Данный рулевой механизм образован рулевой передачей типа винт-гайка-сектор.

В шестеренчатых рулевых механизмах рулевая передача образуется цилиндрическими или коническими шестернями, к ним же относят передачу типа шестерня-рейка. В последних цилиндрическая шестерня связана с рулевым валом, а рейка, зацепленная с зубьями шестерни, выполняет роль поперечной тяги. Реечные передачи и передачи типа червяк-ролик преимущественно применяют на легковых автомобилях, так как обеспечивают сравнительно небольшое передаточное число.

Рулевой привод.

Конструкции рулевого привода различают по расположению рычагов и тяг, составляющих рулевую трапецию, по отношению к передней оси. Если рулевая трапеция находится впереди передней оси, то конструкция рулевого привода называется передней рулевой трапецией, при заднем расположении — задней трапецией. Большое влияние на конструктивное исполнение и схему рулевой трапеции оказывает конструкция подвески передних колес.

При зависимой подвеске рулевой привод имеет более простую конструкцию, так как состоит из минимума деталей. Поперечная рулевая тяга в этом случае сделана цельной, а сошка качается в плоскости, параллельной продольной оси автомобиля. Можно сделать привод и с сошкой, качающейся в плоскости, параллельной переднему мосту. В следствии этого продольная тяга будет отсутствовать, а усилие от сошки передается прямо на две поперечные тяги, связанные с цапфами колес.

При независимой подвеске передних колес схема рулевого привода конструктивно сложнее. В данном случае появляются дополнительные детали привода, которых нет в схеме с зависимой подвеской колес. Изменяется конструкция поперечной рулевой тяги. Она сделана расчлененной, состоящей из трех частей: основной поперечной тяги 4 и двух боковых тяг — левой и правой. Для опоры основной тяги служит маятниковый рычаг, который по форме и размерам соответствует сошке . Соединение боковых поперечных тяг с поворотными рычагами цапф и с основной поперечной тягой выполнено с помощью шарниров, которые допускают независимые перемещения колес в вертикальной плоскости. Рассмотренная схема рулевого привода применяется главным образом на легковых автомобилях.

Рулевой привод, являясь частью рулевого управления автомобиля, обеспечивает не только возможность поворота управляемых колес, но и допускает колебания колес при наезде ими на неровности дороги. При этом детали привода получают относительные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях и на повороте передают усилия, поворачивающие колеса. Соединение деталей при любой схеме привода производят с помощью шарниров шаровых либо цилиндрических.

Как проверить гидроусилитель руля

Гидроусилитель рулевого управления представляет собой систему, предназначенную для облегчения поворота рулевого колеса. Такая система делает управление автомобилем комфортным.

Однако комфорт не является единственным предназначением усилителя.

Поскольку почти вся работа по управлению колесами автомобиля ложится именно на гидроусилитель, то появилась возможность оснащения автомобилей рулевым колесом сравнительно меньшего диаметра.

Кроме того, это позволило уменьшить передаточное число рулевого механизма.

Благодаря такому устройству, водитель делает меньше оборотов при повороте управляемых колес от упора до упора, что ощутимо повышает отзывчивость и маневренность машины.

Еще одним полезным свойством усилителя руля является смягчение толчков на руль от неровностей дороги.

Наиболее простой и распространенный вариант гидроусилителя – с реечным механизмом, состоит из:

• Масляного насоса;
• Золотникового распределителя;
• Рабочего (силового) цилиндра;
• Резервуара для масла;
• Различных трубок, переходников, соединительных шлангов.

Насос является механизмом, поддерживающим давление и обеспечивающем циркуляцию жидкости (масла) в системе. Такая помпа гидроусилителя руля закрепляется непосредственно рядом с двигателем автомобиля, поскольку в действие она приводится от коленчатого вала через ременную передачу.

Насос (они бывают роторные или аксиально-поршневые) забирает масло из небольшой емкости и нагнетает его в золотниковый распределитель. При этом давление может достигать 100 атмосфер.

В отличие от просто гидронасоса, электронасос гидроусилителя руля приводится в движение не ремнем от шкива, а электромотором. Это позволяет независимо от оборотов двигателя получить более ровную характеристику работы системы усилителя руля. И не надо приводных ремней.

Изменение характеристик тоже не зависит от частоты вращения коленчатого вала. Водители машин с таким усилителем уже не задаются вопросом, как проверить гидроусилитель руля, поскольку качество электронасосов достаточно высокое.

Таким образом, такое усовершенствование – прогресс относительно классического ременного привода усилителя.

Распределитель является высокоточным механизмом, обеспечивающим направление потоков масла (рабочей жидкости) в нужную полость гидроцилиндра и последующим его возвратом в резервуар.

Устанавливают распределитель непосредственно на вал рулевого колеса, либо на рулевой механизм.

Распределитель оснащен специальным следящим устройством –торсионом, который и распределяет поток жидкости во время поворотов рулевого колеса. В рабочем (силовом) цилиндре под воздействием жидкости вступают в действие поршень и шток, поворачивающие колеса. Цилиндр обычно встроен в рулевой механизм.

В качестве резервуара для жидкости используется пластмассовый бачок. Его оборудуют фильтрующим элементом и щупом для замера масла. К резервуару подсоединены шланги, по которым циркулирует жидкость из бачка в насос, и из распределителя обратно в бачок.

• Зимняя рыбалка в Карелии Если вы решили испытать, что такое настоящая русская зимняя рыбалка, то для этого нет
• Как ловить рыбу на безнасадочные мормышки Все большей популярностью среди любителей подледной рыбалки пользуется ловля на
• Бесплатные форекс-стратегии: С чего начать? Пять самых популярных форекс-стратегий Вот несколько бесплатных форекс-стратегий,
• На телескоп James Webb установили первый зеркальный сегмент Первый из 18 шестигранных сегментов успешно установлен на телескопе, что позволило
• Архитектура и мы Строительство считается одним из древнейших видов деятельности жителя нашей планеты. Это
• Торговля на Форексе: Основные недостатки форекс-трейдера Основная цель данной статьи – представить вам некоторые важные аспекты
• Какие события происходят на китайском рынке коммерческих авиапроизводителей Производство первого китайского коммерческого регионального самолета ARJ21 завершается.
• На Хароне есть аммиак, который не позволяет замерзать воде под его поверхностью Анализируя последние переданные фотографии New Horizons, ученые обнаружили поразительный

Состав реечного рулевого механизма

Типичный механизм включает в себя:

• корпус, где размещены все детали, снабжённый проушинами крепления к моторному щиту или раме;
• зубчатую рейку;
• подшипники скольжения втулочного типа, на которые рейка опирается при перемещениях;
• входной вал, обычно размещённый в роликовых (игольчатых) подшипниках качения;
• устройство регулировки зазора в зацеплении из подпружиненного сухаря и регулировочной гайки;
• пыльники рулевых тяг.

Иногда механизм комплектуется внешним демпфером, призванным минимизировать один из недостатков реечного механизма – излишне сильную передачу на руль ударов от попадающих на неровности колёс. Демпфер представляет собой горизонтально расположенный телескопический амортизатор, подобный тому, что устанавливается в подвесках. Одним концом он соединён с рейкой, а другим – с подрамником. Все удары гасятся гидравликой амортизатора.

Простейшие механизмы, применяемые на самых лёгких автомобилях, лишены усилителя рулевого управления. Но большинство реек располагают им в своём составе. Исполнительный механизм гидроусилителя интегрируется в корпус рейки, наружу выходят лишь штуцеры подключения гидравлических магистралей с правой и левой сторон поршня.

Распределитель в виде золотникового клапана и отрезка торсиона встраивается в корпус входного вала реечного механизма. В зависимости от величины и направления приложенного водителем усилия, закручивающего торсион, золотник открывается в сторону левого или правого штуцеров гидроцилиндра, создавая там давление и помогая водителю перемещать рейку.

Иногда в реечный механизм встраиваются и элементы электрического усилителя, если он не расположен на рулевой колонке. Прямой привод на рейку более предпочтителен. В этом случае рейка имеет электродвигатель с редуктором и второй приводной шестерней. Она работает параллельно с основной по отдельной зубчатой насечке на рейке. Направление и величина усилия определяются электронным блоком управления, получающим сигнал с датчика закручивания торсиона входного вала и формирующим силовой ток на электродвигатель.

Рулевая колонка

Промежуточным звеном между рулевым колесом и механизмом является рулевая колонка, представленная рулевым валом. Часто он является шарнирным, что позволяет рациональнее использовать рулевое управление автомобиля и применять откидывающуюся кабину для грузовых автомобилей. Более того, шарнирный вал уменьшает травмоопасность колонки, уменьшая смещение рулевого колеса внутрь салона при аварии, не допуская сильного травмирования грудной клетки водителя.

Также в него могут быть встроены сминаемые элементы, складывающиеся при фронтальном ударе. А для защиты от угона может использоваться механическая или электрическая блокировка. Однако она не только защищает, но и порождает весьма неприятные неисправности рулевого управления. При окислении контактов в блоке elv возможно возникновение ложных сигналов блокировки. Самостоятельно производить замену не рекомендуется, поскольку происходит полная перепрошивка системы безопасности (даже для ключей, поэтому их надо будет принести с собой).

Усилитель

Сейчас практически на всех автомобилях применяется усилитель рулевого управления. Он служит для уменьшения усилий, что необходимы для поворота передних колес. Данный элемент позволяет обеспечить высокую точность и быстродействие рулевого управления. На данный момент различают несколько типов усилителей:

• Гидравлический.
• Электрический.

Первый тип является более популярным. Устанавливается как на легковые автомобили, так и на грузовики. В устройстве усилителя имеется насос, который создает определенное давление в гидравлической системе. В зависимости от стороны поворота руля, эта жидкость давит на первый либо второй контур рейки. Таким образом, снижается усилие, что требуется приложить для поворота. Среди преимуществ гидравлической системы стоит отметить высокую надежность. Усилитель редко выходит из строя. Однако, поскольку механизм насоса приводится в действие от коленвала, забирается часть мощности от ДВС. Хотя на современных двигателях это вовсе незаметно.

Электрический усилитель состоит из отдельного двигателя. Крутящий момент от него передается на сам вал рулевого колеса. Конструкция применяется только на легковых автомобилях, так как не рассчитана на большие усилия.

ЭУР оборудован отдельной электроникой, которая и управляет данным двигателем. Иногда усилитель доукомплектовывается адаптивными системами, которые направлены на увеличение безопасности при движении по полосе.

Среди инновационных решений стоит отметить систему динамического управления от «Ауди». Здесь передаточное число изменяется в зависимости от текущей скорости автомобиля. Таким образом, на высоких скоростях руль жесткий и сбитый, а при парковке он становится легким. Передаточное число изменяется при помощи сдвоенного планетарного редуктора, который добавлен в вал. Корпус его может проворачиваться в зависимости от скорости автомобиля.

Назначение рулевого управления

Рулевое управление чаще всего поворачивает передние колеса, однако встречаются и двухосный привод (в основном это крупногабаритная техника с четырьмя осями, две из которых поворачивают), а также модификации с задним приводом.

Ни один автомобиль не сможет обойтись без рулевого управления, так как в мире не существует прямой дороги. Даже если бы условно представить себе такую трассу, на ней все равно появлялись бы препятствия, которые нужно было бы объезжать. Без рулевого управления также невозможно было бы безопасно припарковать свое авто.

Если бы производитель не устанавливал бы в машины данную систему, их управляемость ничем не отличалась бы от маневренности железнодорожного состава. Хотя попытки создать машину, которой можно было бы управлять силой мысли, не прекращаются (на фото выше — одна из разработок компании GM).

Различные используемые схемы

Тип рулевого управления в основном определяется способом преобразования в рулевом механизме. Выделяются три основных варианта:

1. Реечное управление встречается наиболее часто и практически на всех легковых автомобилях. В силу своей конфигурации оно хорошо компонуется и обеспечивает высокую точность управления. Возможно использование переменного передаточного числа в зависимости от угла поворота (прогрессивная характеристика). Удобно сочетается со всеми видами усилителей и демпферов. Они же максимально парируют основной недостаток в виде излишней прозрачности – удары могут передаваться на руки водителя с большой травмирующей силой. Конструкция также минимизирует состав набора рулевых тяг и наконечников.
2. Рулевое управление типа «червяк-глобоидальный ролик». Повсеместно применялось в прошлом, пока не было вытеснено реечным механизмом. Отличалось компактностью, хорошим блокированием обратных ударов и высокой прочностью. Вместе с тем создавало трудности с точностью управления и стабильностью характеристик во времени. Сохраняется на грузовиках и вездеходах.
3. Механизм типа «винт-шариковая гайка» характеризуется пониженным трением и способностью выдерживать высокие нагрузки. Представляет собой значительно усовершенствованный предыдущий вариант, но работает гораздо лучше и широко используется на дорогих и тяжёлых автомобилях престижного класса, а также на больших грузовиках.

Все данные механизмы снабжаются усилителями. Они в своей работе могут использовать электрические, гидравлические и смешанные принципы.

1. Электрический усилитель руля (ЭУР) находит всё большее применение на легковых автомобилях. Здесь важны такие его свойства, как компактность, быстродействие и точность. В последнее время стало особенно важным лёгкое подключение рулевого управления через ЭУР к компьютерам автомобиля, осуществляющим помощь водителю с элементами полностью автономного управления. Машины уже умеют самостоятельно парковаться, отслеживать разметку и следовать потоку без вмешательства человека. Через изменение усилия на руле также возможно передавать водителю информацию о его ошибках и рекомендации.
2. Гидроусилитель руля (ГУР) был самым массовым и до сих пор ещё применяется по разным причинам, хотя в целом уступает по функциональности электрическим. Отличается высокой мощностью благодаря прямому приводу от двигателя и надёжностью, поскольку применялся давно и широко. Недостатки связаны с наличием текучей жидкости и многочисленных уплотнений. Управлять им от компьютеров сложно, но один выход всё же есть.
3. Электрогидравлический гибридный усилитель (ЭГУР) частично избавляет от этого недостатка, поскольку в нём рабочее давление создаётся электрическим насосом, которым достаточно легко управлять. Но некоторая инертность всё же остаётся, также сохраняются все недостатки гидравлики.

Усовершенствование рулевых механизмов идёт по пути максимального внедрения в них принципов автоматического управления. Существуют системы типа AFS, где по команде компьютера можно оперативно менять суммарное передаточное число рулевого редуктора. Для этого используется дополнительная передача планетарного типа, где венец можно вращать отдельным электродвигателем. Электромоторы могут выполнять и иные функции, вплоть до полного устранения жёсткой связи между рулевым колесом и управляемыми колёсами. Подобно тому, как электричество и гидравлика берут на себя перемещение управляющих элементов в авиации и тяжёлой грузовой технике. Уровень надёжности и дублирование вполне это позволяют. При этом руление становится полностью адаптивным и помощь водителю максимальна.