Рулевое управление автомобиля

Рулевое управление автомобиля



Назначение и классификация рулевого управления

Требования к рулевому управлению

Основные требования к рулевым управлениям связаны с обеспечением безопасности дорожного движения. Автомобиль не должен терять управляемости и маневренности при любых дорожных условиях и обстоятельствах, поскольку это может привести к дорожно-транспортным происшествиям, авариям и даже катастрофам.
В соответствии с этим рулевое управление автомобиля должно соответствовать следующим требованиям:

· правильность кинематики поворота;

· легкость управления;

· силовое и кинематическое следящее действие;

· согласованность элементов рулевого управления с подвеской для исключения самопроизвольного поворота управляемых колес;

· повышенная надежность всех элементов рулевого управления, поскольку любой отказ может привести к авариям с тяжелыми последствиями.

Рулевые механизмы автомобиля



Назначение и типы рулевых механизмов

Рулевой механизм – часть рулевого управления, облегчающая управление автомобилем, благодаря применению редуктора с высоким передаточным числом. Редуктор позволяет значительно уменьшить усилие, необходимое для вращения рулевого колеса, что особенно актуально при управлении автомобилями, имеющими значительную массу и диаметр управляемых колес.

Однако, в соответствии с Золотым правилом механики, при этом выигрыш в силе оборачивается проигрышем в расстоянии, и чтобы повернуть управляемые колеса автомобиля на некоторый угол, необходимо повернуть рулевое колесо на угол, равный произведению угла поворота колес на передаточное число редуктора.

Если учесть, что передаточное число редукторов рулевого механизма современных автомобилей может достигать значения u = 20 и даже более, то, например, чтобы повернуть управляемые колеса на угол 20˚, рулевое колесо должно совершить полный оборот. По этой причине повышение передаточного числа редуктора рулевого механизма для снижения усилия на рулевом колесе нельзя увеличивать без предела – увеличивается время выполнения маневра или поворота.

Передаточные числа рулевых механизмов современных легковых автомобилей обычно находятся в пределах 16…20, грузовых автомобилей – 20…25. Так, например, у рулевого механизма автомобиля ВАЗ-2105 передаточное число u = 16, 4, у автомобиля ГАЗ-66-11 – 21, 3, у автомобиля КамАЗ-5320 – 20, у автобуса ЛиАЗ-5256 – 23, 6.

При управлении автомобилем выгоднее использовать рулевой механизм с изменяемым передаточным числом, поскольку максимальное усилие на рулевом колесе требуется при маневрировании на малых скоростях движения и особенно – при повороте колес неподвижного автомобиля. При высокой скорости движения для поворотов требуется значительно меньшее усилие.

При работе рулевого управления детали, составляющие рулевой механизм подвергаются износу, что приводит к появлению зазоров, негативно сказывающихся на управляемости автомобиля и на безопасности движения. По этой причине необходимо использовать для изготовления ответственных деталей механизма износостойкие материалы, а также предусматривать возможность проведения регулировок зазоров либо их устранение в автоматическом следящем режиме с помощью различных устройств и трансформируемых элементов конструкции.

Еще одно условие, которое необходимо учитывать в конструкции рулевого управления – обратная связь между управляемыми колесами и рулевым колесом. Удары и толчки со стороны дороги (особенно боковые) не должны ощутимо передаваться рулевому колесу, и уж тем более – не изменять его положение, поскольку это может вызвать непроизвольное изменение направления движения автомобиля.

Требования к рулевым механизмам автомобиля

Исходя из всего, перечисленного выше, к конструкциям рулевых механизмов предъявляются следующие основные требования:

· высокое передаточное число и обеспечение заданного характера изменения передаточного числа рулевого механизма;

· высокий КПД при передаче усилия от рулевого колеса сошке;

· способность рулевого механизма воспринимать усилия от управляемых колес к рулевому колесу, что необходимо для стабилизации управляемых колес;

· высокая надежность механизма и износостойкость его деталей;

· минимальное число необходимых в процессе эксплуатации регулировок и простота технического обслуживания.

Рулевые механизмы современных автомобилей разделяют на червячные, винтовые, шестеренные (в т. ч. - реечные) и комбинированные.
Червячные рулевые механизмы бывают с передачей червяк-ролик, червяк-сектор и червяк-кривошип. Ролик может быть двух- или трехгребневый, сектор - двух- или многозубый, кривошип с одним или двумя шипами.
К отдельной категории можно отнести гидростатические рулевые механизмы, использующие для своей работы давление масла из подведенной напорной магистрали. Такие рулевые механизмы могут оборудоваться гидравлическим усилителем, но могут работать и без него. Гидростатические усилители рулевого управления практически не применяются в конструкциях автомобилей, их чаще используют для управления колесными тракторами и другими самоходными машинами.

Наибольшее распространение получили червячно-роликовые рулевые механизмы, в которых рулевая пара состоит из глобоидного червяка (образующая такого червяка - дуга окружности) и двух- или трехгребневого ролика. Такая передача имеет высокую нагрузочную способность из-за одновременного зацепления большого числа зубьев и малые потери на трение, так как трение скольжения зубчатого колеса (сектора) в этой передаче заменено трением качения ролика, размещенного на подшипнике. В рулевом механизме такой конструкции сохраняется зацепление на большом угле поворота червяка, снижен износ деталей из-за уменьшения потерь на трение.

В комбинированном рулевом механизме передача осуществляется обычно через две передающие пары: винт, гайка-рейка и сектор; винт, гайка и кривошип; винт, гайка и рычаг. На некоторых моделях автомобилей применяются рулевой механизм с комбинированной винтовой передачей, в которую для уменьшения сил трения вводят непрерывную цепь циркулирующих стальных шариков.

В винтовом рулевом механизме «винт-гайка-рейка-сектор» вращение винта преобразуется в прямолинейное движение гайки, на которой нарезана рейка, находящаяся в зацеплении с зубчатым сектором. Сектор установлен на общем валу с сошкой. Для уменьшения трения в рулевом механизме и повышения износостойкости соединение винта и гайки часто осуществляют через шарики. Передаточное число рулевого механизма обычно определяется из соотношения углов поворота рулевого колеса и вала сошки.

К шестеренным рулевым механизмам относятся механизмы с цилиндрическими или коническими шестернями, а также реечные рулевые механизмы. В реечных рулевых механизмах передаточная пара выполнена в виде ведущей шестерни и зубчатой рейки, при этом зубчатую рейку можно считать зубчатым колесом с бесконечно большим радиусом. Вращение шестерни, закрепленной на рулевом валу, вызывает линейное перемещение рейки, которая является частью составной поперечной тяги рулевого управления.

Реечные рулевые механизмы в настоящее время получили широкое применение на легковых автомобилях, особенно - переднеприводных. Такой механизм отличается простотой конструкции и высокой точностью работы, имеет малые габариты и прост в обслуживании. Однако реечный рулевой механизм не лишен и некоторых недостатков, в первую очередь – высокой чувствительностью к толчкам и ударам со стороны дороги (обратная связь с рулевым колесом), а также неудобством защиты деталей от попадания грязи.

Червячный рулевой механизм



Рулевой механизм, использующий червячную передачу, раньше других конструкций нашел применение в рулевом управлении автомобилей. Причиной этого явились такие положительные свойства червячной передачи, как большое передаточное число, самоторможение и относительная простота конструкции.
Высокое передаточное число благотворно сказывается на способности рулевого механизма без применения каких-либо усилителей значительно повышать момент, приложенный руками водителя к рулевому колесу.

Самоторможение, свойственное червячным передачам, позволяет значительно уменьшить влияние толчков и ударов со стороны дороги на смещение элементов конструкции рулевого управления и удерживать рулевое колесо в исходном положении.

Однако такая конструкция рулевого механизма не лишена и определенных недостатков, основной из которых является низкий КПД червячной передачи, отнимающей значительную долю приложенной к рулевому колесу энергии на преодоление сил трения между деталями.
Кроме того, в червячных передачах, благодаря особенности конструкции, присутствуют повышенные зазоры, которые, в совокупности с зазорами в приводе, негативно сказываются на чувствительности рулевого управления.
Высокое передаточное число, помогая водителю легко справиться с управлением автомобиля, с другой стороны заставляет его больше работать руками, поскольку требует значительных перемещений (вращения) рулевого колеса для обеспечения даже незначительного маневра автомобилем.

Снижения сил трения в червячной паре в значительной степени удается добиться, используя передачу типа " червяк-ролик", в которой трение скольжения подменяется трением качения. Рулевой механизм такой конструкции применяется на многих грузовых и легковых автомобилях отечественного производства, выпускаемых Горьковским, Ульяновским и Волжским автозаводами.

В настоящее время червячные рулевые механизмы утратили былую популярность, и на многих автомобилях уступили место более простым и удобным в использовании реечным механизмам, устанавливаемым в рулевом управлении современных переднеприводных легковых автомобилей и небольших грузовиков с независимой подвеской. Тем не менее, в рулевых механизмах многих грузовых автомобилей небольшой грузоподъемности, автобусов, внедорожных автомобилей, а также для заднеприводных легковых автомобилей червячные передачи пока достойной альтернативы не имеют.

Червячные рулевые механизмы, применяемые на легковых, грузовых автомобилях и автобусах, различаются формой червяка и конструкцией сопрягаемого с червяком ведомого элемента - " червяк-сектор", " червяк-кривошип" или, получивший наиболее широкое применение, - механизм " червяк-ролик".

Конструкцию червячного рулевого механизма с передачей " червяк-ролик" рассмотрим на примере его применения в рулевом управлении автомобиля ГАЗ-66-11 (рис. 1).

Рулевой механизм автомобиля " ГАЗ-66"

Рулевой механизм автомобиля " ГАЗ-66-11" состоит из картера 1 (рис. 1), внутри которого находится червяк 6, входящий в зацепление с трехгребневым роликом 2. Червяк запрессован на пустотелый вал 7 и установлен в картере на двух конических подшипниках 5 и 8.

Между нижней крышкой 4 и картером рулевого управления установлено несколько тонких стальных прокладок 3 для регулировки подшипников червяка.

Ролик установлен на оси 10 на подшипниках 11 в щечках головки вала сошки. Вал сошки вращается на двух подшипниках 17 и 18. В месте выхода вала сошки установлена уплотнительная манжета 15.
На шлицованную часть вала насажена сошка 16. Правильность установки сошки достигается наличием на ней четырех сдвоенных шлицов.

Зацепление червяка с роликом регулируют с помощью винта 12, который ввернут в боковую крышку картера. Винт фиксируется с помощью стопорной шайбы 19, штифта 13 и гайки 20.

Вал червяка с помощью шпонки 9 соединен с нижней вилкой рулевого вала. Вал рулевого механизма состоит из верхнего рулевого вала и промежуточного вала, соединенных между собой и с редуктором рулевого механизма с помощью карданных шарниров.
На конце рулевого вала установлена ступица рулевого колеса.

Рулевой механизм автомобиля " Урал"

Разновидностью червячного рулевого механизма является червячно-спироидный рулевой механизм с боковым сектором, который применяется на автомобиле " Урал-4320" (рис. 2).
Рулевая пара состоит из двухзаходного цилиндрического червяка 2 и бокового сектора 3 со спиральными коническими зубьями. Червяк закреплен на валу 4, который вращается на подшипниках 1, допускающих небольшое осевое перемещение.
Сектор 3 выполнен заодно с валом 6, на шлицах которого устанавливается сошка 5.

Углы спиралей червяка конического сектора равные. При трапециевидном профиле поперечного сечения витков червяка и зубьев сектора они соприкасаются по линии, поэтому зубья воспринимают передаваемую нагрузку по всей осевой длине. Это снижает нагрузку на зубья, уменьшает контактные напряжения и повышает износостойкость передачи.
Вал сошки 6 устанавливается с большой точностью на удлиненных игольчатых подшипниках 7.

Прогиб червяка ограничивается специальным упором 8, установленным в картере рулевого механизма. Аналогичный упор 9 ограничивает прогиб сектора с противоположной стороны. Закрепление червяка с сектором регулируют подбором толщины бронзовой шайбы 10, расположенной между крышкой картера и сектором.
Зазор в зацеплении увеличивается при повороте червяка в обе стороны от среднего положения с целью исключения заклинивания рулевого механизма в крайних положениях.

Винтовой рулевой механизм



Данный тип рулевого механизма устанавливается на отдельных легковых автомобилях представительского класса, а также тяжелых грузовых автомобилях и автобусах.

Винтовой рулевой механизм автомобиля включает следующие основные элементы: винт, устанавливаемый на валу рулевого колеса; гайку, перемещающуюся по винту; зубчатую рейку, нарезанную на гайке; зубчатый сектор, соединенный с рейкой; рулевую сошку, расположенную на валу сектора, т. е. в работе механизма участвуют две рабочие пары - винт-гайка и рейка-зубчатый сектор.

Винт и гайка, применяемые в винтовом рулевом механизме, отличаются от обычной винтовой пары тем, что специально выполненные полости между боковыми поверхностями пары заполнены шариками.
Дорожками качения для шариков служат винтовые канавки, выполненные на теле винта и в гайке. При повороте винта шарики циркулируют в гайке по замкнутому кругу, выкатываясь из винтового канала через отверстие с одной стороны гайки и возвращаясь в гайку через обводной канал с противоположной стороны.

Использование циркулирующих шариков позволяет заменить трение скольжения в паре винт-гайка трением качения, что повышает КПД передачи, как в прямом направлении, так и в обратном. Это улучшает условия для стабилизации управляемых колес, но и делает механизм довольно чувствительным к толчкам со стороны дороги. Поэтому для сглаживания ударов должны устанавливаться амортизаторы или усилители рулевого управления.
Глубина винтовой канавки выполняется переменной, а толщина среднего зуба сектора увеличенной по сравнению с другими зубьями для исключения заклинивания рулевого механизма в крайних положениях.

Принципиально работа винтового рулевого механизма мало отличается от работы червячного механизма. Поворот рулевого колеса сопровождается вращением винта, который перемещает сопрягаемую с ним гайку. При этом происходит циркуляция шариков, значительно уменьшающих трение между винтовыми поверхностями.
Гайка посредством зубчатой рейки перемещает зубчатый сектор и с ним рулевую сошку.

Зазор в зацеплении поршня-рейки с сектором вала сошки регулируется путем осевого перемещения вала сошки с помощью специального регулировочного винта.
Зазор в паре винт-гайка не регулируется, поэтому высокая надежность и требуемый срок службы в этом зацеплении обеспечивают путем применения высококачественных легированных сталей.

Винтовой рулевой механизм в сравнении с червячным механизмом имеет больший КПД и способен передавать большие усилия.
Одним из недостатков данной конструкции является сложность подгонки деталей винтовой передачи при использовании в конструкции циркулирующих шариков.

Реечный рулевой механизм



В некоторых технических источниках информации реечные рулевые механизмы относят к шестеренным (зубчатым) рулевых механизмам, поскольку рейка является своеобразным зубчатым колесом, радиус которого бесконечно большой.
Так или иначе, этот тип рулевых механизмов в настоящее время прочно занял место в конструкциях рулевых управлений переднеприводных легковых автомобилей с независимой подвеской.
В настоящее время реечный рулевой механизм применяется на отечественных легковых автомобилях ВАЗ-2108 и последующих переднеприводных моделях этого автозавода, а также на АЗЛК-2141.

Реечные рулевые механизмы просты по конструкции и компактны, имеют высокий КПД, поэтому широко используются на легковых автомобилях. В последнее время такие механизмы применяются на грузовых автомобилях малой грузоподъемности, имеющих независимую подвеску.
Особенно удобно применение реечных рулевых механизмов в автомобилях, оснащенных независимой подвеской передних колес типа MacPherson (Макферсон), поскольку поворотный рычаг, соединяемый шаровым пальцем с поперечной тягой, при этом можно выполнить на стойке подвески, используя стойку в качестве элемента рулевого механизма.

Рабочей парой в реечном рулевом механизме является шестерня-зубчатая рейка, при нормальном профиле зубьев шестерни и рейки передаточное число механизма постоянно. Современные реечные рулевые механизмы могут иметь переменное передаточное число, что достигается нарезкой зубьев рейки специального профиля и с переменным шагом.

Повышенная чувствительность к внешним воздействиям вследствие малого трения, чувствительность к колебаниям рулевого управления вызывают необходимость установки амортизаторов или усилителей для поглощения толчков.
Устройство и принцип работы реечного рулевого механизма рассмотрим на примере переднеприводных автомобилей ВАЗ, имеющих независимую подвеску типа МакФерсон.



Рулевые колонки и валы



В общем случае передача вращения от рулевого колеса на рулевой механизм осуществляется валом, который размещается внутри специального кожуха, называемого рулевой колонкой.
На грузовых автомобилях (рис. 1) рулевая колонка 3, установленная внутри кабины водителя, крепится средней частью к внутренней панели и переднему щитку кабины.
На рулевой колонке может устанавливаться токосъемник звукового сигнала и переключатель указателя поворота. Вал 8 установлен в колонке 3 на подшипниках 7, а рулевое колесо 4 соединяется с валом шпонкой или шлицами и крепится при помощи гайки.
Нижний конец вала имеет канавку для крепления вилки карданной передачи.
В центре рулевого колеса расположено контактное устройство кнопки звукового сигнала.

Рулевой вал и винт рулевого механизма не всегда соосны из-за компоновки автомобиля и необходимости правильной установки рулевого колеса. Кроме того, укол между валом и винтом может меняться, так как кабина, устанавливаемая на упругих опорах, имеет возможность небольшого перемещения относительно рамы. Поэтому вал соединяется с винтом через карданную передачу 2.
На некоторых автомобилях с размещением кабины над двигателем карданная передача между рулевой колонкой и рулевым механизмом позволяет поднимать кабину для обеспечения доступа к двигателю и его системам. Карданная передача рулевого механизма имеет два шарнира неравных угловых скоростей, которые по своей конструкции аналогичны применяемым в трансмиссии автомобиля.

В случае размещения кабины над двигателем рулевая колонка располагается почти вертикально и для передачи вращения под большим углом на винт в рулевом механизме применяется угловой редуктор 6 (рис. 1, в) с передаточным числом, равным единице. Вал 12 с ведущим зубчатым колесом 10 установлен в корпусе на шариковых подшипниках 13, закрепленных гайкой со стопорной шайбой. Ведомое зубчатое колесо 15 соединено с винтом шлицами, что обеспечивает возможность перемещения винта относительно зубчатого колеса в продольном направлении.

На легковых автомобилях (рис. 2, а) рулевая колонка включает в себя вал 1, размещенный в трубе, которая крепится к передней панели. Соединение рулевого вала с валом рулевого механизма осуществляется чаще всего через упругую муфту.
Вал вращается на подшипнике 3, на верхнем конце вала на шлицах устанавливается рулевое колесо. На современных автомобилях рулевая колонка может иметь несколько положений регулировки по вертикали и в продольном направлении для обеспечения удобства управления, что усложняет ее конструкцию.

Рулевые колонки могут становиться причиной серьезных травм водителя при авариях. Для уменьшения опасности воздействия рулевой колонки на водителя используют рулевое колесо, которое способно деформироваться при ударе, поглощая часть энергии удара.
Вал рулевого колеса при аварии должен изгибаться или расщепляться, не перемещаясь внутрь салона более чем на 127 мм. Это осуществляется установкой травмобезопасных рулевых колонок, являющихся элементами пассивной безопасности автомобиля.

На автомобиле ВАЗ-2121 вал складывается, так как имеет карданную передачу, а энергия удара при аварии поглощается кронштейном крепления рулевой колонки особой конструкции.

На автомобиле ГАЗ-3102 энергопоглощающим элементом является резиновая муфта, устанавливаемая между двумя частями рулевого вала.

Поглощать энергию удара при столкновении может и деформируемый рулевой вал 4, устанавливаемый на зарубежных автомобилях (рис. 2, б). Такой вал представляет собой перфорированную трубу, которая может значительно укорачиваться при силовом воздействии на нее в осевом направлении.

Рулевой вал может также состоять из двух частей и соединяться несколькими продольными пластинами, которые будут при ударе изгибаться, поглощая энергию.

Рулевой привод



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.

Требования к усилителям рулевого управления

Поскольку рулевое управление автомобиля относится к наиболее ответственному элементу системы управления, усилители руля должны не только обеспечивать комфорт и удобство водителя, но и соответствовать условиям безопасности движения. Немаловажными условиями качества гидроусилителей, как элементов конструкции автомобилей, является их долговечность, удобство технического ухода и эксплуатации.

Усилители рулевого управления должны соответствовать следующим основным требованиям:

· сохранять возможность управления автомобилем и в случае выхода усилителя из строя;

· не препятствовать стабилизации управляемых колес;

· обеспечивать следящее действие;

· поглощать удары и толчки, воспринимаемые автомобилем со стороны дороги и передаваемые на рулевое колесо;

· иметь высокий КПД и использовать минимальное количество мощности двигателя для своей работы.

Кинематическое следящее действие обеспечивает пропорциональность между угловым перемещением рулевого колеса и углом поворота управляемых колес. Иными словами, каждому фиксированному положению рулевого колеса должно соответствовать определенное положение управляемых колес, а при остановке рулевого колеса в каком-нибудь промежуточном положении поворот управляемых колес также должен прекращаться.

Силовое воздействие обеспечивает пропорциональность между силой, приложенной к рулевому колесу, и силой сопротивления повороту управляемых колес. Силовое следящее действие создает водителю " чувство дороги".

Усилитель рулевого управления должен включаться при определенном усилии, прикладываемом к рулевому колесу. Это усилие зависит от сил трения в рулевом механизме и типа применяемого центрирующего устройства. Центрирующее устройство обязательно имеется во всех усилителях, так как оно также не позволяет включаться усилителю при незначительных толчках со стороны управляемых колес. В качестве центрирующих и реактивных устройств в усилителях рулевого управления могут применяться пружины, торсионы, плунжеры, реактивные камеры или их комбинации.

Включение усилителя рулевого управления происходит вследствие обратной связи от управляемых колес, осуществляемой с помощью рулевого привода.

Рулевое управление автомобиля



12345678910Следующая ⇒

Поделиться: