Устройство автомобилей

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.

Основные параметры рулевого привода

Основным оценочным параметром рулевого привода являются общее угловое передаточное число Uрп рулевого привода и КПД рулевого привода.

Общим угловым передаточным числом (кинематическим передаточным числом рулевого привода) называют отношение углового перемещения сошки к среднему угловому перемещению поворотных цапф управляемых колес.

Под силовым передаточным числом привода понимают отношение суммарного момента на поворотных цапфах всех управляемых колес к моменту на рулевой сошке.

КПД рулевого привода оценивает потери мощности в шарнирах рулевых тяг и шкворневых устройств управляемых колес.
Для автомобилей с передним управляемым мостом – потери в шкворнях составляют 40…50 %, в шарнирах рулевых тяг – 10…15 %. КПД рулевого привода (0,92…0,95) определяется как отношение силового передаточного числа к кинематическому.
Общий КПД рулевого управления определяется как произведение КПД рулевого механизма на КПД привода. Для современных автомобилей общий КПД рулевого управления может составлять 0,7…0,85.

Классификация рулевых приводов

Рулевые приводы различаются по следующим конструктивным признакам и свойствам:

— по взаимному расположению рулевого колеса и рулевого вала – с раздельным или совмещенным расположением.
При раздельном расположении рулевого вала и рулевого колеса их соединяют карданным валом, резиновой полумуфтой, сильфонным или перфорированным патрубком. При аварии такая конструкция обеспечивает травмобезопасность, так как при прямом ударе вал складывается и не перемещает рулевое колесо.
Кроме того, раздельное расположение вала и руля позволяет решить и некоторые другие технические задачи.

— по расположению рулевой трапеции – с передним или задним расположением относительно оси управляемых колес.
Варианты расположения и устройства рулевой трапеции при проектировании рулевого управления автомобиля определяются компоновочными возможностями. Схемы основных типов рулевых трапеций представлены на рис. 2 .

— по конструкции поперечной тяги – с цельной или разрезной тягой.
При применении зависимой подвески и неразрезной балке моста поперечная тяга для увеличения жесткости рулевого управления выполняется сплошной, при этом она может располагаться как перед балкой моста, так и за ней ( рис. 2, а, б ).
В случае применения неразрезной поперечной тяги при независимой подвеске вертикальное перемещение одного из колес вызвало бы поворот другого колеса. Чтобы избежать этого, поперечную тягу делают разрезной, из нескольких звеньев ( рис. 2, в ).
На переднеприводных автомобилях с реечным рулевым механизмом рулевая трапеция состоит из двух тяг, непосредственно связанных с рейкой ( рис. 2, г ).
Изменение длины поперечной тяги позволяет осуществлять регулировку схождения управляемых колес.

— по наличию усилителя – простой механический привод или с использованием усилителя.

Конструкция элементов рулевого привода должна быть достаточно жесткой для надежной и правильной передачи усилий и в тоже время позволять изменять их взаимное положение. Для обеспечения такой передачи соединение деталей рулевого привода осуществляется с помощью шаровых шарниров.

Сошка связывает выходной вал рулевого механизма с продольной тягой. Ее изготовляют методом ковки с переменным эллиптическим сечением по длине, что является наиболее рациональным для выполнения условий прочности и жесткости.

Сошку соединяют с валом шлицевым соединением треугольного профиля и фиксируют гайкой. Для беззазорной посадки отверстие в сошке и конец вала выполняют коническими, а для правильной установки сошки на валу предусмотрены соответствующие метки или несимметрично расположенные шлицы.

Продольную тягу 11 рулевого привода ( рис. 3 ) делают трубчатой с утолщением по краям для монтажа шарниров. Каждый шарнир состоит из пальца 13, вкладышей 12 и 14, охватывающих сферическими поверхностями шаровую головку пальца, пружины 15 и резьбовой крышки 16.
Пружина постоянно прижимает вкладыши к шаровой головке пальца, устраняя зазоры, возникающие в результате изнашивания.

Поперечная рулевая тяга 10 также имеет трубчатое сечение. Шаровые шарниры размещаются в наконечниках 8, навинченных на концы тяги. Положение наконечников фиксируется стяжными болтами.
Наворачивая или свинчивая наконечники, можно изменять длину поперечной тяги при регулировке схождения колес. Так как резьба, нарезанная на концах тяги имеет разное направление, то изменение длины тяги можно осуществлять вращением самой тяги.

В корпусе наконечника установлен шаровой палец 5, к головке которого пружина 3 прижимает вкладыш 4, а своим вторым концом опирается на крышку 1, которая через прокладку 2 крепится болтами к корпусу наконечника.

Выход пальца из корпуса уплотняется защитной накладкой 9. Зазоры в шарнире при изнашивании устраняются путем постоянного прижатия вкладышей к шаровой головке пальца пружиной.
Такие наконечники не требуют регулировки.
Все шаровые соединения имеют пресс-масленки для периодического смазывания.

Шарнирные соединения механических рулевых приводов являются наиболее ответственными деталями с точки зрения безопасности движения. Они могут иметь пальцы сферической, полусферической или цилиндрической формы и вкладыши, изготовленные из различных материалов.
Наряду с шарнирным соединением, представленным на рис. 3 , где постоянная плотность сопряжения головки шарового пальца с вкладышами поддерживается упругим воздействием пружины, действующим вдоль оси пальца, существуют шарниры с усилием вдоль оси тяги (рис. 4,а,б,в ). Такие шарниры просты в изготовлении и получили распространение на грузовых автомобилях средней и большой грузоподъемности.
Однако такая конструкция имеет существенный недостаток: усилие пружины 3 должно быть значительно больше максимального усилия, которое может действовать вдоль оси тяги при движении автомобиля. Поэтому рабочие поверхности шаровых пальцев 1 и вкладышей 2 постоянно нагружены усилиями со стороны пружин. Это отрицательно сказывается на долговечности деталей.

Унифицированные шарниры неразборной конструкции ( рис. 4,г,д,е ) снабжены вкладышами, изготовленными из полиуретана или нейлона, пропитанного специальным составом. Наличие прорези во вкладыше обеспечивает сборку и беззазорное соединение сопряженных поверхностей с помощью пружин. Для исключения выхода пальцев из тяги при значительных деформациях или поломках пружин в шарнирах устанавливают ограничители.
Эти шарниры не требуют регулировок и смазочного материала.

Детали рулевого привода изготавливают из сталей 20, 30, 35; пальцы шарниров – из сталей 12ХН3А, 18ХГТ и 15ХН; наконечники рулевых тяг, рычаги и сошку выковывают из сталей 35, 40, 45, 30Х, 35Х, 40Х, 38ХГМ, 40ХНМА.

Диаметр рулевого колес нормирован. Он составляет для легковых и грузовых автомобилей малой грузоподъемности 380…425 мм, а для грузовых автомобилей и автобусов большой вместимости- 440…550 мм.
Максимальный угол поворота рулевого колеса зависит от типа автомобиля и находится в пределах ±540…1080˚ (1,5…3 оборота).

Конструкция шарниров рулевых приводов

Основные требования, предъявляемые к шарнирам рулевого при­вода, заключаются в беззазорности и износостойкости. Необходи­мость работы без зазоров привела к тому, что почти все шарниры имеют поджатие скользящих поверхностей за счет деформации уп­ругого тела. Обычно (рис. 13.20 о) это стальная пружина 2, но может быть и резиновый элемент или элемент из другого полимерного материала, обладающего упругостью.

Сила упругого элемента может быть направлена вдоль тяги (рис. 13.20а), или вдоль пальца 8 со сферическим наконечником (рис. 13.206). В первом случае пружина должна развивать весьма большую силу, превышающую максимальную рабочую нагрузку, что увеличивает трение в шарнире. Ввиду того что площадь контакта вкладышей 3 со сферическим наконечником пальца 4 по конст­руктивным соображениям не может быть сделана большой, такое техническое решение приводило бы к повышенным износам тру­щихся пар. Для устранения указанного недостатка пружину делают слабее, чем нужно, а величину зазора, образующегося при возник­новении в рулевом приводе больших сил, ограничивают упором /. Резьбовая пробка 5 позволяет устанавливать необходимый натяг пружины 2 при сборке шарнира и поддерживать его в заданных пределах во время эксплуатации автомобиля.

Рис. 13.19. Вариант конструкции рулевого привода при реечном рулевом механизме

Несмотря на предпринятые меры, описанный шарнир сохранил отрицательные свойства в виде повышенного и неравномерного износа рабочих поверхностей, необходимости их периодического смазывания, отсутствия демпфирующего эффекта. Поэтому он был вынужден уступить свое место шарниру второго типа (рис. 13.206). В таком шарнире передаваемая вдоль тяги 5 сила не создает большой поперечной нагрузки, действующей вдоль пальца 8 и стремящейся разомкнуть сферические рабочие поверхности. В связи с этим тре­бующаяся сила пружины ^невелика, и сжатие рабочих поверхностей, не обусловленное силой, передаваемой вдоль тяги, также невелико. Это влечет за собой уменьшение излишнего трения и изнашивания шарнира.

В случае вымывания или сильного загрязнения смазочного ма­териала возможно резкое возрастание трения между пальцем 8 и сменным металлическим вкладышем 2. В результате этого при вра­щении пальца скольжение между ним и вкладышем может смениться скольжением между вкладышем и корпусом, что неминуемо приведет к порче посадочной поверхности вкладыша и корпуса шарнира. Для предотвращения этого вкладыш зафиксирован относительно корпуса заклепкой-упором 3.

Если автомобиль предназначен для работы в условиях сильной загрязненности и запыленности, то предусматривают возможность замены смазочного материала в шарнире при помощи масленки (1 на рис. 13.20 в) и отгибающегося уплотнительного кольца 2.

Рис. 13.20. Шарниры рулевого привода

Использование высококачественных конструкционных материалов для вкладышей, современных смазочных материалов и надежных уп­лотнений позволяет в настоящее время применять шарниры, не тре­бующие замены смазочного материала в течение всего срока службы.

Современная химия предоставляет конструктору широкую гамму полимерных материалов, удовлетворяющих самым разнообразным тре­бованиям. Помимо двух основных вопросов — снижения коэффици­ента трения и получения высокой износостойкости — варьирование свойствами материала, величиной и расположением рабочей поверх­ности относительно сферы пальца, а также подбор толщины стенок вкладыша позволяет решить и другие вопросы. К ним относятся, например, создание необходимой упругости рулевого управления для снижения динамических нагрузок и обеспечение надлежащих демп­фирующих свойств с целью гашения высокочастотных колебаний.

Металлические вкладыши в настоящее время применяются ред­ко, только в тех случаях, когда шарнир должен передавать весьма большие силы или быть достаточно жестким для уменьшения из­лишней упругой податливости рулевого привода.

В тех случаях, когда шарнир должен обеспечивать только одну степень свободы (шарниры поперечной тяги 4 и опора маятникового рычага 2 на рис. 13.18) или углы, необходимые для реализации второй и третьей степеней свободы, малы, применяют упрощенные шарниры (рис. 13.21 б).

Рис. 13.21. Шарниры рулевого привода

Большое значение имеет надежность резиновых защитных чехлов, которые препятствуют загрязнению и вымыванию смазочного ма­териала. При появлении даже небольших порезов, разрывов и трещин в чехлах срок службы шарниров резко сокращается. Для надежной работы резина, применяемая для чехлов, должна обладать достаточной прочностью, эластичностью, масло- и морозостойкостью, а конст­рукция чехла должна исключать большие деформации и большие напряжения в его материале при рабочих деформациях чехла.