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 aв поворота внутреннего по отношению к центру поворота колеса больше угла aн поворота внешнего колеса.
Рис.16.1. Схема поворота автомобиля
Зависимость между этими углами определяется из выражения
ctg aн = ctg aв + 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
Rнmin = L/sin aнmax,
где aнmax - 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 aнmax 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