Устройство рулевого управления
Система рулевого управления является самым важным элементом взаимодействия водителя и автомобиля. Поэтому данная система должна отвечать самым высоким современным требованиям. Стоит назвать только некоторые из них.
Во-первых, наличие расширенного диапазона функций, обеспечивающего водителю больший комфорт и удовольствие от езды; во-вторых, возможность применять системы, помогающие водителю в управлении автомобилем; и, в-третьих, явное сокращение потребления энергии для уменьшения расхода топлива.
Система рулевого управления должна работать точно и без люфтов. Легкий ход, прямая передача, компактный размер и малый вес. Более того, система должна обеспечивать водителю превосходный контакт с дорожным полотном и не препятствовать возврату к прямолинейному движению.
Необходимо, чтобы система работала плавно, требовала минимального сервисного обслуживания и обеспечивала максимальный комфорт и безопасность. Причем все это — и на большой, и на малой скорости.
Итог: управление, безопасность и комфорт — потому что качество автомобиля зависит также и от качества системы рулевого управления.
Элементы рулевого управления с гидроусилителем: 1 – рулевое колесо; 2 – рулевая колонка; 3 – карданный вал рулевого управления; 4 – уплотнитель вала; 5 – шланг нагнетательной магистрали; 6 – шланг сливной магистрали; 7 – рулевой механизм; 8 – бачок гидроусилителя рулевого управления; 9 – шланг возврата жидкости из рулевого механизма в бачок; 10 – насос гидроусилителя рулевого управления
Рулевое управление автомобиля – с травмобезопасной рулевой колонкой. Это обеспечивается конструкцией телескопического карданного вала, состоящего из двух частей.
Рулевая колонка: 1 – вал рулевого колеса; 2 – ручка регулировки положения рулевого колеса; 3 – кронштейн крепления рулевой колонки
При аварийном наезде автомобиля на препятствие нижняя часть карданного вала входит в верхнюю – трубчатую часть. В результате длина вала рулевого управления уменьшается, что снижает вероятность получения водителем серьезных травм.
Рулевой механизм типа «винт–шариковая гайка» со встроенным гидроусилителем закреплен в моторном отсеке c левой стороны на кронштейне рамы. Рулевой механизм состоит из алюминиевого картера, винта с шариковой гайкой и вала сектора.
Карданный вал рулевого управления: 1 – верхний шарнир вала; 2 – верхняя часть вала; 3 – нижняя часть вала; 4 – уплотнитель вала; 5 – нижний шарнир
На винту установлена шариковая гайка, имеющая внутри винтовую канавку. Между гайкой и винтом размещен набор шариков.
Детали рулевого привода (вид снизу автомобиля): 1 – поворотный рычаг правого колеса; 2 – правый наконечник поперечной рулевой тяги; 3 – поперечная рулевая тяга; 4 – сошка; 5 – продольная рулевая тяга; 6 – поворотный рычаг трапеции
При вращении винта шарики перекатываются по винтовой канавке и шариковая гайка перемещается вдоль винта. При этом своими зубьями гайка поворачивает валсектор, установленный в картере на двух роликовых подшипниках. На шлицах вала-сектора закреплена рулевая сошка. Винт с шариковой гайкой и набор шариков подобраны между собой и заменяются только в сборе.
Рулевой механизм с сошкой в сборе: 1 – отверстие сливной магистрали; 2 – картер рулевого механизма; 3 – отверстие нагнетательной магистрали; 4 – сошка
Рулевой привод состоит из сошки, продольной и поперечной рулевых тяг, рычагов поворотных кулаков и шарниров рулевых тяг. Рулевая сошка продольной тягой связана с поворотным рычагом трапеции. Поперечная рулевая тяга связывает рычаги обоих передних колес. Ее длина может быть отрегулирована, что позволяет изменять угол схождения колес. Углы продольного и поперечного наклона оси поворота колеса и развал передних колес заданы конструкцией передней подвески и в процессе эксплуатации не регулируются. Все шарниры, соединяющие детали рулевого привода, неразборные и не требуют обслуживания в эксплуатации.
Гидроусилитель рулевого управления встроен в рулевой механизм. В систему гидравлического усилителя входят лопастной насос, бачок для рабочей жидкости, шланги сливной и нагнетательной магистрали. Насос приводится во вращение ремнем от шкива коленчатого вала двигателя.
Насос гидроусилителя рулевого управления
Усилители рулевого привода и насосы ГУР так же необходимы для автомобиля, как двигатель и колёса, а для безопасности так же важны, как и тормоза: качество автомобиля во многом зависит от качества работы системы рулевого управления.
Рабочая жидкость из бачка подается насосом под высоким давлением к распределительному устройству (распределителю), расположенному в картере рулевого механизма и механически соединенному с винтом рулевого механизма. При отказе гидравлического усилителя возможность управления автомобилем сохраняется, но при этом увеличивается усилие на рулевом колесе.
Уровень жидкости в бачке должен находиться между двумя рисками
Бачок гидроусилителя рулевого управления установлен в моторном отсеке на кронштейне и закреплен хомутом. В крышке бака имеется указатель уровня жидкости.
УГЛЫ УСТАНОВКИ ПЕРЕДНИХ КОЛЁС
Рулевое управление с реечным механизмом и гидравлическим усилителем
(Примечание: данная статья является общепознавательной и не привязана к какой либо марке автомобиля)
Устройство механической части
Рулевое управление с реечным механизмом и гидравлическим усилителем, по существу, состоит из рулевого механизма, рулевого клапана и трубчатого рабочего цилиндра. На зубчатой рейке (2), которая перемещается в рабочем цилиндре по износостойким уплотнительным кольцам, закреплен рабочий поршень (3). Шестерня рулевого механизма (4) расположена в области клапана и входит в зацепление с зубчатой рейкой. Толкатель обеспечивает отсутствие зазора между рейкой и шестерней.
При повороте рулевого колеса через данное соединения вращение шестерни переходит в осевое движение зубчатой рейки (в боковом направлении). Гидравлическое усиление производится за счет работы золотникового клапанного механизма. Он состоит из золотника (5) с 6
1. Корпус 2. Зубчатая рейка 3. Поршень 4. Шестерня 5. Упругая муфта 6. Торсион 7. Золотниковая втулка 8. Поперечная рулевая тяга 9. Осевая канавка 10. Регулирующая канавка 11. Управляющая кромка 12. Осевая канавка 13. Регулирующая канавка обратной магистрали 14. Управляющая канавка обратной магистрали 15. Пространство обратной магистрали 16. Осевая канавка 17. Осевая канавка 18. Редукционный клапан 19. Насос ГУР 20. Масляный резервуар ZL рабочий цилиндр, слева, ZR рабочий цилиндр, справа
Шестерня связана посредством торсиона — упругой муфты (6) с золотником (5), дросселирующими канавками на корпусе и золотниковой втулки (7), которая фиксируется на шестерне (4). В желонке золотниковой втулки имеются канавки, совпадающие по числу и расположению с осевыми канавками. В качестве центрирующего элемента (нейтральное положение) золотника используется обычный или имеющий фиксатор по центру торсион (6), который обеспечивает соединение золотника, шестерни и золотниковой втулки. За счет подшипниковой опоры золотника и шестерни достигается надежная работа клапана, в том числе и при повышении давления.
Схема процесса передачи усилия системы привода рулевого управления с реечным механизмом с переменным передаточным отношением Один поворот рулевого колеса соответствует 360 °.
При передаче крутящего момента рулевого колеса или управляемых колес автомобиля на распределитель или на точку соединения шестерни/золотниковой втулки появляется момент относительного вращения, вызываемый торсионом. Упругая муфта поворачивается относительно золотниковой втулки в отверстии клапана, при этом изменяется положение регулирующих проточек. За счет этого масло по трубопроводам поступает в обе части рабочего цилиндра (ZL или ZR), и усилие вращения руля уменьшается за счет осевого перемещения зубчатой рейки. Если осевое перемещение зубчатой рейки инициировано поворотом управляемых колес, то клапан все равно регулирует поступление масла в пространство рабочего цилиндра, который препятствует осевому перемещению зубчатой рейки. За счет указанного эффекта торможения приглушается подпрыгивание из-за неровностей дорожного покрытия. Если не удерживать рулевое колесо, то сместившиеся регулирующие канавки за счет действия торсиона вновь займут нейтральное положение, и в двух частях рабочего цилиндра установится одинаковое давление.
Основная функция золотникового клапана в гидравлической системе
Для работы клапана имеют значение такие компоненты, как торсион (6), упругая муфта (5) и золотниковая втулка (7).
В нейтральном положении все проходные сечения для масла находятся под давлением 2 бара. Лишь при вращении торсиона в направлении, противоположном нагрузке, через открывшийся клапан масло под давлением поступает в соответствующую часть цилиндра.
За счет пересечения дросселирующих кромок (11) шлицы впуска закрываются, прекращается поступление масла к осевым канавкам (12) у золотниковой втулки, посредством верхней радиальной канавки они соединены с противоположной частью цилиндра. Закрытые дросселирующие окна препятствуют отеканию масла в резервуар. Из полости цилиндра поршень (3) перемещает масло по зубчатой рейке (2), оно стекает по радиальной канавке золотниковой втулки в канавки обратной магистрали (13) торсиона и затем в масляный резервуар (20).
Специальное оснащение
Для оптимизации управления применительно к различным типам кинематики и двигателей система привода рулевого управления с реечным механизмом и гидравлическим усилителем может иметь различное дополнительное оснащение.
Переменное передаточное отношение
Помимо постоянного передаточного отношения данная система может иметь и переменное передаточное отношение. При этом зубья зубчатой рейки могут различаться по форме и углу зацепления. При прямолинейном движении и нейтральном положении руля система работает в обычном режиме.
При повороте рулевого колеса на значительный угол (вправо или влево) передаточное отношение уменьшается, и управление рулем становится более активным. Различие между максимальным и минимальным передаточным отношением может быть не более 35%. При этом возникает крайне низкое соотношение поворота руля (до двух полных оборотов) и перемещения зацепления зубчатой рейки. Благодаря необычному удобству в работе привода рулевого управления с реечным механизмом и переменным передаточным отношением он широко применяется для автомобилей среднего класса и легких грузовиков, а также для спортивных автомобилей. Система обеспечивает точную, быструю работу рулевого колеса на большой скорости без опасности «перекрутить» руль и оптимальное управление автомобилем при парковке, развороте на узком участке и при прохождении крутых поворотов.
Торсионный стержень с фиксацией по центру
Крайне важным элементом управляющего клапана является торсионный стержень. Его конструкция во многом определяет точность управления и поворота рулевого колеса в различных скоростных режимах. При работе управляющего клапана, т.е. при повороте рулевого колеса требуется преодолеть торсионное усилие стержня. Без такого сопротивления ход поршня клапана был бы очень легким и, следовательно, менее точным и контролируемым. В целях оптимизации работы управляющего клапана в диапазоне его действия (а также характеристик работы системы управления на высоких скоростях движения), конструкция обычного поворотного стержня усовершенствована, и создан торсионный центр с фиксацией по центру (см. рис. сверху). Помимо типового золотникового и ротационного клапана применяются также клапаны Servotronic.
Установка фиксированного по центру торсионного стержня в управляющий клапан.
Указанный компактный элемент состоит главным образом из торсионного стержня, устойчивого к действию торсиона металлического сильфона с предварительным натяжением, двух наконечников в виде гильз и призматического стопора с шариками. Торсионный стержень соединен с двумя наконечниками путем геометрического замыкания. Расположенный соосно с торсионным стержнем сильфон с одной стороны крепится к наконечнику, а с другой — к центрирующему фиксатору.
Призматический стопор состоит из двух центрирующих элементов, которые с каждой стороны имеют призматические пазы, между которыми в сепараторе находятся шарики. Исходное положение сильфона задается за счет призматического центрирования. Непосредственно в начале торсионного процесса сильфон является мощным дополнительным препятствием для вращения. После смещения центрирующих элементов относительно друг друга (торсионный угол должен быть 0,2°), сопротивление сильфона прекращается, а жесткость при кручении развивается так же, как и характеристика работы типового торсионного стержня.
Номинальная характеристика
Это понятие обозначает графическую характеристику, которая отличается очень малым диапазоном допуска. Регулирующие каналы конической формы и дросселирующие кромки на стержне и золотниковой втулке обеспечивают оптимальное формирование характеристик работы клапана в соответствии с данными производителя автомобиля.
Система защиты от перегрузки
Включение устройства защиты от перегрузки в системы привода рулевого управления с реечным механизмом обусловлено как функциональностью и экономичностью работы системы, так и влиянием на окружающую среду. В любом случае подвеска автомобиля должна иметь достаточные возвратные характеристики.
Особой конструкции соединительные отверстия в цилиндре обеспечивают переток гидравлической жидкости из камеры цилиндра, находящейся под высоким давлением, в возвратную гидравлическую линию, отделенную поршнем, незадолго до конца перемещения. Возникающий при этом сброс давления предотвращает выход из строя насоса ГУП и механических элементов системы управления в результате чрезмерной нагрузки. Значительное уменьшение гидравлического усиления за счет падения давления вызывает увеличение момента приложения усилия на рулевом колесе и является сигналом для водителя о скором достижении конечной точки поворота рулевого колеса. За счет снижения нагрузочной потребности насоса ГУР, достигаемой благодаря системе защиты от перегрузки, число оборотов холостого хода двигателя может быть уменьшено. Это ведет к экономии топлива и сказывается на экологии.
Амортизация рулевого управления
Об улучшенном комфорте управления говорят тогда, когда удары подвески и неровности дорожного покрытия не сказываются на рулевом управлении. В особых случаях предлагаются дополнительные технические решения, например, крепление элементов рулевого управления на резиновых опорах, амортизатор, установленный параллельно элементам управления, или поперечные рулевые тяги с эластичными элементами. Возможна также интеграция в гидравлическую систему клапана и системы диафрагм (вариобленды), которые играют роль демпфера.
Демпфирование в конце хода
Если производители автомобиля сочтут необходимым, то приводы рулевого управления с реечным механизмом в составе ограничителей хода могут иметь полимерные элементы. Работа демпфера перед концом хода ощущается в виде шумов при максимальном развороте колес.
