РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ

 

Совокупность механизмов, служащих для поворота управляемых колес, называется рулевым управлением. Рулевое управление обеспечивает правильную кинематику поворота и безопасность движения, небольшие усилия на рулевом колесе, предотвращает передачу толчков от неровностей дороги на рулевое колесо. Основным способом изменения направления движения является поворот в горизонтальной плоскости передних направляющих колес относительно задних колес. Качение колес на повороте должно происходить без проскальзывания и бокового скольжения.

При повороте управляемых ко­лес возникают боковые силы, перпендикулярные плоскости вра­щения колес. Эти боковые силы заставляют управляемые колеса и автомобиль в целом отклоняться от прямолинейного движения и совершать поворот. На рис.16.1 дана схема движения автомобиля по окружности при повернутых передних управляемых колесах. Все колеса катятся по дугам концентричных окруж­ностей без бокового скольжения. Движение происходит вокруг центра поворота О, расположенного в точке пересечения оси задних колес и осей обоих управляемых колес. Управ­ляемые колеса имеют различный угол поворота, причем угол a_в поворота внутреннего по отношению к центру поворота колеса больше угла a_н поворота внешнего колеса.

 

 

Рис.16.1. Схема поворота автомобиля

 

Зависимость между этими углами определяется из выражения

ctg a_н = ctg a_в + В/L,

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

Способность автомобиля разворачи­ваться на заданной площади, т.е. его поворачиваемость, характеризуется ми­нимальным радиусом поворота

R_нmin = L/sin a_нmax,

где a_нmax - максимальный угол поворо­та наружного колеса.

Минимальный радиус поворота – обязательный параметр технической ха­рактеристики автомобиля. При минимальном радиусе поворота, минимальная ширина проезжей части доро­ги для разворота автомобиля у большинства автомобилей a_нmax со­ставляет немного больше 30°, и мини­мальный радиус поворота приблизительно в два раза больше базы автомоби­ля. У автомобилей повышен­ной и высокой проходимости пре­дельный угол поворота управляемых колес для уменьшения радиуса поворота повышают до 40…45°. При одинаковых значениях максимальных углов поворота управляемых колес ав­томобиль с большей базой будет иметь больший радиус поворота, т. е. худшую поворачиваемость.

У автомобиля ЗИЛ-130 радиус поворота равен 8,0 м, а у автомобиля ВАЗ-2107 – 5,6 м. На некоторых специальных автомобилях для улучшения поворачиваемости управляемыми выполняются как пере­дние, так и задние колеса. В этом случае при той же базе и тех же предельных углах поворота минимальный радиус поворота уменьшается вдвое.

Габаритный коридор – еще одна характеристика поворачиваемости автомобиля, ширина полосы, в которую вписывается автомобиль, совершающий поворот с минимальным радиусом.

Выше поворот автомобиля рассмотрен применительно к жестким коле­сам. Пневматические шины придают ко­лесам эластичность, которая несколько изменяет картину поворота.

Рулевое управление автомобилей состоит из рулевого механизма и рулевого привода. Классификация рулевого управления дана на рис.16.2.

 

Рис.16.2. Классификация рулевого управления

Рулевой механизм предназначен для увеличения и передачи на рулевой привод усилия, прикла­дываемого водителем к рулевому колесу. Он состоит из рулевого колеса 1, рулевого вала 2 и редуктора 3 (рис.16.3).

Большое передаточное чис­ло в рулевых меха­низмах (от 15 до 30) облегчает управ­ление автомобилем. Передаточное число определяется отношением уг­ла поворота рулевого колеса к углу поворота управляемых колес авто­мобиля.

Рулевые механизмы классифицируются на червячные, винтовые, ком­бинированные и реечные (шестеренные). Червячные механизмы быва­ют с передачей червяк - ролик, чер­вяк - сектор и червяк - кривошип. Ролик может быть двух- или трехгребневой, сектор - двух- и многозубый, кривошип - с одним или дву­мя шипами. Передача усилий в винтовых механизмах осуществляется по­средством винта и гайки.

 

Рис.16.3. Схема рулевого управления при независимой подвеске передних колес: 1 – рулевое колесо; 2 – рулевой вал; 3 – редуктор; 4 – сошка; 5 – рулевая колонка; 6 – ось колеса; 7 – рычаг; 8 – шарнир; 9 – боковая тяга; 10 – поперечная тяга; 11 – маятниковый рычаг; 12 – поворотная цапфа

 

В комбини­рованных механизмах передача уси­лий осуществляется через следующие узлы: винт, гайка - рейка и сектор; винт, гайка и кривошип; гайка и ры­чаг. Реечные механизмы выполнены из шестерни и зубчатой рейки.

Наи­более широко распространена винтовая пере­дача глобоидальный червяк – ролик на подшипниках качения. При такой конструкции значительно уменьшены трение и износ и обеспечено соблюдение необходимых зазоров в зацеплении. Такого типа рулевые механизмы применяют на большинстве автомо­билей семейства ГАЗ, ВАЗ, «Москвич» и др.

Классификация рулевых механизмов дана на рис.16.4.

Рис.16.4. Классификация рулевых механизмов

 

Рулевой привод служит для передачи усилия от рулевого механизма к управляемым колесам и для правиль­ного взаимного расположения ко­лес при повороте. Рулевой привод бывает с расчлененной трапецией (при независимой подвес­ке) и с цельной трапецией (при зависимой подвеске колес). Рулевая трапеция может быть задней или передней (поперечной) тягой, которая располо­жена сзади передней балки или перед ней.

В конструкции рулевого привода при независимой подвеске передних колес предусмотрены (см.рис.16.3) сошка 4, маятниковый рычаг 11, два рычага 7, поперечная тяга 10, две боковые тяги 9 и четыре шарнира 8. Каждое управляемое колесо установлено на оси 6 поворотной цапфы 12 и поворачивается рулевым колесом 1. Враще­ние от рулевого колеса передается через вал 2 на ре­дуктор 3 и далее через сошку 4 на рулевой привод. Усилие, приклады­ваемое к рулевому колесу, уменьшается за счет редуктора, который пре­образует вращение рулевого ко­леса во вращение вала сошки и замедляет его.

Через поперечную тягу 10 сошка 4 передает усилие боковым тягам 9, откуда это усилие через рычаги 7 поступает на поворот­ные цапфы 12, поворачивая их относительно стоек. Необходимое соот­ношение между углами поворота управляемых колес достигается за счет своеобразной трапеции, образованной балкой передней подвески, поперечной тягой с боковыми тягами и поворотными рычагами. Две стороны трапеции жестко соединены с поворотными цапфами. Разница в углах поворота определяется величиной угла наклона левого и правого рычагов 7 рулевой трапеции.

Рулевое управление автомобиля ВАЗ-2105 с промежуточным карданным валом и противоугонным устройством является травмобезопасным. Рулевой механизм этого автомобиля включает следующие узлы (рис.16.5): рулевое колесо 15, нижний 10, средний 12, верх­ний 13 рулевые валы и редуктор 9.

Рис.16.5. Рулевое управление автомобиля ВАЗ-2105: 1 – боковая тяга; 2 – рулевая сошка; 3 – средняя поперечная тяга; 4 – маятниковый рычаг; 5 – регулировочная муфта; 6 – оси колес с поворотными цапфами; 7 – поворотные рычаги; 8 – ось маятникового рычага; 9 – редуктор; 10 – нижний рулевой вал; 11 – карданный шарнир; 12 – промежуточный рулевой вал; 13 – верхний рулевой вал; 14 – кронштейн; 15 – рулевое колесо; 16 – лонжерон кузова; 17 – шаровые шарниры; 18 – вкладыш; 19 – шаровой палец; 20– резиновый чехол; 21 – пружина; 22 – опорная шайба; А – пробка маслоналивного отверстия

Верхний рулевой вал находится в двух радиально-упорных шарикоподшипниках, наружные обоймы которых запрессованы в трубу кронштейна 14, привернутого к панели кузова. Через промежуточный вал 12 верхний вал соединен с нижним. Карданные шарниры 11 вала изготовлены на игольчатых подшипниках и являются неразборными. На лонжероне 16 кузова закреплен редуктор рулевого механизма 9. Он представляет собой червячную пару, состоящую из глобоидального червяка 1 (рис.16.6) и двухгребневого ролика 9, помещенных в картер 10. Червяк 1, напрессованный на вал 11, вращается в двух радиально-упорных шарикоподшипниках.

 

Рис.16.6. Редуктор рулевого механизма автомобиля ВАЗ-2105: 1 – червяк; 2 – вал рулевой сошки; 3 – рулевая сошка; 4 – регулировочные прокладки; 5 – ось ролика; 6 – крышка картера; 7 – шайба регулировочного винта; 8 – регулировочные винты; 9 – ролик; 10 – картер; 11 – рулевой вал

 

Между картером и поджимной крышкой устанавливаются прокладки 4 толщиной 0,1 и 0,15 мм, подбором которых регулируются зазоры в подшипниках. Ролик 9, находящийся в зацеплении с червяком, установлен на ось 5 и вращается в двухрядном шарикоподшипнике.

Вал 2 сошки вращается в корпусе картера в двух бронзовых втулках, положение его по оси вращения фиксируется регули­ровочным винтом 8. Винт со специально подбираемой шайбой 7 заведен в паз головки вала 2. Регулировочный винт ввернут в крышку 6 и застопорен контргайкой. За счет сдвоенного шлица сошка 3 установлена на валу 2 в строго определенном положении. Выходы валов 2 и 11 из картера уплотнены самоподжимными сальниками.

Масло для смазки деталей редуктора заливается через отверстие в крышке 6, которое закрывается специальной пробкой А (см.рис.6.16).

В отличие от принципиальной схе­мы, показанной на рис.16.4, рулевой привод автомобиля ВАЗ-2105 расположен не спереди оси передних колес, а сзади. Включение осуществляется через сошку 2 (см.рис.16.6), шарнирно соединенные с ней среднюю поперечную тягу 3 и левую боковую тягу 1, маятнико­вый рычаг 4 и шарнирно соединенную с ним правую боковую тягу, а также поворотные рычаги 7. Ось 8 маятникового рычага 4 вращается в двух втулках, встав­ленных в кронштейне оси, который крепится к правому лонжеро­ну пола кузова.

По конструкции боковые тяги 1 имеют два наконечника, соединенные разрезной регулировочной муфтой с двумя хомутами, стягиваемы­ми болтами. Наличие резьбы пра­вого и левого направления на хвостовиках обоих наконечников позволяет, вращая регулировоч­ную муфту, изменять длину боковой тяги и тем регулировать ве­личину схождения колес.

Шесть одно­типных шаровых шарниров 17 крепят тягу к рычагам и сошке. Шарниры состоят из пальца 19 с шаро­вой головкой, вкладыша 18 с пружиной 21 и опорной шайбой 22 пружины. Палец своей шаровой головкой вместе с вкладышем вставлен в конусную расточку головки наконечника тяги, а вкла­дыш поджат пружиной, что автоматически устраняет зазор, воз­никающий по мере износа пальца и вкладыша. Резиновый чехол 20 защищает шарнир от попадания влаги и грязи. Этот узел при исправном состоянии чехлов в процессе эксплуатации смаз­ки не требует.

Рулевое управление автомобиля ВАЗ-2108 состоит из рулевого колеса, вала руля 6 (рис.16.7), демпфирующего элемента, эластичной муфты 7 и редуктора. В редукторе рулевого механизма типа шестерня-рейка находится картер 1, внутри которого на двух подшипниках установлена веду­щая шестерня 2. Зубчатая рейка 3 беззазорно поджата к шестерне через металлокерамический упор 4 пружиной 21, размещенной между упором и гайкой упора 5. Второй конец рейки 3 опирается на разрезную пластмассовую втулку. Втулка установлена в трубу, напрессованную на картер редуктора с правой стороны, левая сторона редуктора закрыта колпачком 9. Труба имеет продольный паз, через который рулевые тяги 15, 20 болта­ми соединены с зубчатой рейкой. Между собой болты соединены пластиной 19. Гофрированный чехол 16, закрепленный на тру­бе и редукторе двумя пластмассовыми хомутами, защищает внутреннюю полость картера редуктора от загрязнения.

 

 

Рис.16.7. Рулевое управление автомобиля ВАЗ-2108: 1 – картер редуктора; 2 – шестерня; 3 – рейка; 4 –- упор рейки; 5 – гайка упора; 6 – вал руля; 7 – эластичная муфта; 8 – болт муфты; 9 – защитный колпачок; 10 – скоба; 11 – наконечник рулевой тяги; 12 – поворотный рычаг; 13 – соединительная втулка; 14 – гайка; 15 – левая рулевая тяга; 16 – чехол рейки; 17 – резинометаллический шарнир; 18– стопорная пластина; 19 – соединительная пластина; 20 – правая рулевая тяга; 21 – пружина

 

На панели передка кузова с помощью двух скоб 10 болтами закреплен механизм рулевого редуктора. Вал 6 руля соединен с ведущей шестерней 2 редуктора с помощью эластичной муфты 7, нижняя крышка которой закреплена на шестерне болтом 8. Верх­няя часть вала опирается на шариковый радиальный подшип­ник, установленный в трубу кронштейна, закрепленного на па­нели кузова. Для травмобезопасности рулевое колесо установлено через демпфирующий элемент на верхнем конце вала 6 на шлицах.

Рулевой привод включает следующие детали: две тяги 15, 20, два поворотных рычага 12 телескопических стоек передней подвески, два резинометаллических шарнира 77 и два шаровых шарниров, находящиеся в наконечниках 11 тяг. Составные тяги со­единены втулками 13, что позволяет изменять их длину при регу­лировке величины схождения колес.

Шаровые шарниры, ана­логичные по конструкции шарнирам автомобиля ВАЗ-2105, расположены в наконечниках 11 тяг. Во внутренние концы тяг запрессованы резинометаллические шарниры 17, через которые тяги прикреплены к зубчатой рейке. Поворотный рычаг 12 приварен к стойке передней подвески. Для установки пальца шарового шарнира в рычаг вмонтирована втулка с коническим отверстием.

Принцип работы рулевого управления следующий: усилие от рулевого колеса передается через вал 6 и эластичную муфту 7 ведущей шестерне 2, которая передвигает рейку 3, поджатую снизу упором 4. Рейка, перемещаясь внутри картера поперек продольной оси автомобиля, передвигает рулевые тяги 15 и 20, которые через шаровые шарниры поворачивают рычаги 12, закрепленные на стойках передних колес. Рулевой механизм и шарниры рулевых тяг в периодической смазке не нуждаются.

Рулевые усилители. Управление автомобилем затрудняется, если на управляемые колеса приходится большая нагрузка (грузовые автомобили большой и средней грузоподъемности и ав­тобусы), возникает необходимость в дополнительных значительных усилиях, достигающих 400 Н. В тех случаях, когда работа водителя не может быть облегчена увели­чением передаточного числа рулевого ме­ханизма, конструкция предусматривает применение усилителей. Рулевые усилители позволя­ют сохранять управляемость автомобилем даже в случае разрыва шины на одном из передних колес, уменьшают усилия, затра­чиваемые водителем при повороте уп­равляемых колес, и смягчают толчки, пере­дающиеся на рулевое колесо при движении автомобиля по неровной дороге.

Наибольшее распространение получили гидроусилители, которые по месту расположения могут быть встроенными или отдельными. Автомобили ЗИЛ-431410 и КамАЗ-5320 имеют встроенные гидро­усилители, а автомобиль МАЗ-5335 - от­дельный.

Встроенный гидроусилитель автомобиля ЗИЛ-431410 имеет корпус 27 клапана управления на промежуточной крышке 22 (рис.16.8) картера рулевого меха­низма. Между упорными шарикоподшип­никами 23 винта 17 помещен золотник 26 клапана управления. Большие кольца шарикоподшипников обращены в сторону золотника, а сами шарикоподшипники стянуты гайкой 29 с подложенной под нее конической пружинной шайбой 28, обращенной вогну­той стороной к шарикоподшипнику. Конструкцией предусмотрено, чтобы отверстие для золотника было больше его длины, это позволяет золотнику и винту перемещаться в осевом направлении примерно на 1 мм в каждую сторону от среднего положения. Золотник 26 в среднем положении удерживают шесть реактивных пружин 49 реактивными плунжерами 50 с каждой стороны пружи­ны.

 

 

Рис.16.8. Элементы рулевого управления автомобиля ЗИЛ-431410: 11 – нижняя крышка; 12, 16, 24, 35, 39 и 51 – уплотнительные кольца; 13 – заглушка; 14 – картер рулевого механизма; 15 – поршень-рейка; 17 – винт рулевого механизма; 18 – шариковая гайка; 19 – желоб; 20 – шарик; 21 – разрезное кольцо; 22 – промежуточная крышка; 23 – упорный шарикоподшипник; 25 – ша­риковый клапан; 26 – золотник; 27 – корпус клапана; 28 – пружинная шайба; 29 – регулировочная гайка; 30 – верхняя крышка; 31 и 44 – манжеты; 32 и 45 – упорные кольца манжеты; 33 – уплотнительная ман­жета; 34 – боковая крышка; 36 – упорная шайба; 37 – регулировочная шайба; 38 – стопорное кольцо; 40 – регулировочный винт; 41 – вал сошки; 42 – пробка сливного отверстия с магнитом; 43 – втул­ка вала сошки; 46 – стопорное кольцо; 47 – гайка вала сошки; 48 – сошка; 49 – пружина; 50 – плун­жер; 52 – установочный винт

 

Винт и золот­ник 26 смещаются вправо или влево в зави­симости от направления вращения винта, сообщая одну из полостей картера рулево­го механизма с магистралью высокого давления, а другую – со сливным каналом (рис.16.9). Дополнительное усилие, спо­собствующее повороту вправо или влево управляемых колес, создается за счет давления масла на тот или другой торец поршня-рейки.

 

 

Рис.16.9. Схемы работы рулевого гидроусилителя автомобиля ЗИЛ-431410: а – нейтральное положение; б – перемещение золот­ника вправо; в – перемещение золотника влево; 1 и 7 – перепускные клапаны; 2 – сапун; 3 и 4 – сетчатые фильтры; 5 – коллектор; 6 – насос; 8 – пре­дохранительный клапан; 9 и 10 – демпфирующие отверстия; 11 – калиброванное отверстие; 12 – ша­риковый клапан; 13 – реактивный плунжер; 14 – золотник; 15 – винт рулевого механизма; 16 – вал сошки; 17 – картер рулевого механизма

 

При прямолинейном движении автомобиля (см.рис.16.9) масло свободно перекачивается насосом 6 в бачок, поскольку нагнетательный и сливной кана­лы соединены между собой (нейтральное положение золотника).

При повороте вправо вследствие сопротивления, возни­кающего при повороте колес, винт 17 (см.рис.16.9,б), выкручиваясь из поршня-рейки, стремится сдвинуться в осевом направлении. Когда сдвигающая сила будет больше силы предварительно сжатых пружин ре­активных плунжеров, золотник 26 пере­местится вправо и соединит магистраль вы­сокого давления с полостью вправо от поршня, а полость слева от поршня – со сливным каналом.

В случае поворота колес автомобиля влево золотник под аналогичным воздей­ствием перемещается также влево (см.рис.16.9,в) и соединяет полость слева от поршня с магистралью высокого давления, а по­лость справа – от поршня со сливным кана­лом.

Давление в рабочей полости кар­тера и под реактивными плунжерами повышается в связи с увеличением сопротивления повороту ко­лес, оказываемого дорогой. Чем больше сопротивление повороту колес, тем с большей силой золотник стремится вернуться в среднее положение и передает усилие на рулевое колесо, благодаря чему у водителя возникает «чувство дороги».

Гидроусилитель вступает в работу при усилии 20 Н; максимальное усилие на рулевом коле­се не превышает 100 Н. Если насос не включен, то рулевой механизм работает без гидроуси­лителя, так как шариковый клапан 25 (см.рис.16.8) соединяет магистраль высокого давления и сливной канал.

На автомобиле МАЗ-5335 и его модификациях гидроусилитель (рис.16.10) выпол­нен отдельно от рулевого меха­низма и включает распределитель, расположенный в корпусе 14, корпус 11 шаровых шарниров и силовой цилиндр 9, шестеренчатый насос, уста­новленный на двигателе автомоби­ля, бачок для масла, соединительные шланги и трубопроводы 2 и 13.

На внутренней по­верхности золотника, находящегося в корпусе 14, сделаны три кольцевые канавки. Крайние из них сообщаются между собой кана­лом и имеют связь с нагнетатель­ной магистралью насоса, а сред­няя – через сливную магистраль с бачком насоса. Две коль­цевые канавки, расположенные на внешней поверхности золотника, сообщаются кана­лами одна с левой, а другая с пра­вой реактивными камерами, пред­ставляющими собой замкнутую по­лость. К фланцу корпуса 11 шарниров прикреплен корпус 14 распределителя.

В корпусе шарниров шаровой палец 12 соединен с рулевой сошкой, а палец 5 – с продольной рулевой тягой. Оба пальца зажаты между сферическими сухарями 6 пробкой 3 и регулировочной гайкой 8 посред­ством пружин. Стакан 4, в который помещен палец 12 рулевой сошки, может перемещаться в корпусе 11 в осевом направлении в пределах 4 мм. Вместе со стаканом 4 пере­мещается и золотник 1, так как он жестко связан с ним болтом и гайкой.

 

Рис.62. Гидроусилитель рулевого привода автомобиля МАЗ-5335

 

Корпус 7 силового цилиндра 9 соединен с другим концом корпуса 11 шарниров при помощи резьбового соединения. Внутри силового ци­линдра перемещается поршень 10 со штоком, который шарнирно соеди­нен с рамой автомобиля. Полости цилиндра, разделенные поршнем, соединены трубопроводами с кана­лами корпуса распределителя и полостью золотника. При работающем двигателе ав­томобиля насос непрерывно подает масло по нагнетательной магистрали в распределитель гидроусилителя. При прямолинейном движении авто­мобиля циркуляция масла от насоса поступает к распределителю гидроусилителя и далее по сливной магистрали возвращается в бачок насоса.

При повороте рулевого колеса влево или вправо рулевая сошка через шаровой палец 12 перемещает золотник 1 в сторону от нейтрального положения. При этом нагнетательная и сливная полости в корпусе золотника 1 разобщаются средним буртиком золотника, и масло начинает поступать в соответствующую полость силового цилиндра 9, перемещая его относительно поршня 10, закрепленного на штоке. Движение цилиндра передается управляемым колесам через шаровой палец 5 и связанную с ним продольную рулевую тягу. Если прекратить вращение рулевого колеса, золот­ник 1 останавливается, но корпус 14 распределителя будет переме­щаться до тех пор, пока золотник не установится в нейтральное по­ложение. При этом начинается слив масла в бачок, и поворот колес прекращается.

Так как гидроусилитель обладает высо­кой чувствительностью, для пово­рота колес достаточно перемещение золотника на 0,4…0,6 мм. Усилие на рулевом колесе в начале пово­рота колес не превышает 50 Н, а наибольшее усилие – 200 Н.

Травмобезопасные рулевые колонки (рис.16.11) предназначены для смягчения воздействия на водителя рулевого колеса при столкновении автомобиля с препятст­вием. У автомобилей ГАЗ 24-10 и ГАЗ 3102 рулевая колонка включает энергопоглощающую муфту, установ­ленную между верхним 8 и нижним 9 валами рулевой колонки. Она состоит из ре­зиновой шайбы 6, втулок 3, шпилек 4, двух фланцев 1 со скосами и двух предо­хранительных пластин 2, соединенных между собой четырьмя шпильками 4 и гайками 7, зафиксированными усилитель­ными пластинами 5. Обладая упругими свойствами, предо­хранительные пластины и резиновая шай­ба поглощают значительную часть ударной нагрузки.

 

Рис.16.11. Энергопоглощаемая муфта рулевой колон­ки автомобилей ГАЗ-24-10 и ГАЗ-3102 «Волга»: 1 – фланцы; 2 – предохранительные пластины; 3 – втулки; 4 – шпильки; 5 – усилительные пластины; 6 – резиновая шайба; 7 – гайка; 8 и 9 – верхний и нижний валы; 10 – корпус рулевого механизма; 11 – сошка