19.03.2013 в 05:03
Это основной элемент системы рулевого управления, связывающий вал рулевого колеса и тягу рулевого привода.
Рулевой механизм выполняет следующие функции:
– увеличение усилия, прилагаемого к рулевому колесу;
– передача усилий рулевому приводу;
– возврат рулевого колеса в нейтральное положение, при снятии нагрузки и отсутствии сопротивления.
Рулевой механизм представляет собой механическую передачу, иначе говоря, редуктор. Основной параметр рулевого механизма – передаточное число, которое определяется отношением числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей.
Различают три типа рулевых механизмов системы рулевого управления в зависимости от типа механической передачи: реечный, червячный, винтовой.
1. Реечный рулевой механизм
Конструкция
Это самый распространенный тип рулевого механизма, устанавливаемого на легковые автомобили. Реечный рулевой механизм состоит из:
– шестерни, устанавливаемой на валу рулевого колеса;
– рулевой рейки зубчатого типа, соединяющейся с шестерней.
Реечный механизм конструктивно прост, имеет высокий КПД и высокую жесткость. Однако такой механизм чувствителен к ударным нагрузкам по причине дорожных неровностей и склонен к вибрациям. Данный тип механизма устанавливается на автомобилях, имеющих передний привод с независимой подвеской управляемых колес .
Принцип работы
1. С вращением рулевого колеса рулевая рейка перемещается влево и вправо.
2. С движением рулевой рейки происходит перемещение присоединенной к ней тяги рулевого привода и поворачивание колеса автомобиля.
2. Червячный рулевой механизм
Конструкция
Червячный механизм состоит из:
– глобоидного червяка (червяка с переменным диаметром);
– рулевого вала;
– ролика.
На валу ролика за корпусом рулевого механизма установлен рычаг (сошка), который связан с тягами рулевого привода.
Червячный механизм имеет меньшую чувствительность к ударным нагрузкам, обеспечивая большие углы поворота колес, результатом чего является лучшая маневренность автомобиля. Но червячный механизм сложен в изготовлении и его стоимость велика. Данному механизму требуется периодическая регулировка из-за большого числа соединений.
Червячный механизм используется на машинах повышенной проходимости с зависимой подвеской управляемых колес и легких грузовых автомобилях .
Принцип работы
1. С вращением рулевого колеса обеспечивается перемещение ролика по червяку (обкат), качание сошки.
2. Происходит перемещение тяги рулевого привода, благодаря чему колеса поворачиваются.
3. Винтовой рулевой механизм
Конструкция
В конструкцию винтового механизма входят:
– винт на валу рулевого колеса;
– гайка, которая перемещается по винту;
– зубчатая рейка, нарезанная на гайке;
– зубчатый сектор, который соединен с рейкой;
– рулевая сошка, расположенная на валу сектора.
Главная особенность винтового механизма – соединение винта и гайки производится с помощью шариков, что приводит к меньшему трению и износу пары.
5.3. Устройство и работа рулевого управления
Рулевое управление служит для поворота передних колес автомобиля во время его движения и состоит из рулевого привода и рулевого механизма. Для того чтобы движение колес автомобиля на повороте происходило без бокового скольжения, управляемые колеса должны поворачиваться на различные углы: внутреннее колесо на больший угол, а внешнее – на меньший.
Рулевой механизм служит для преобразования вращательного движения рулевого колеса в поступательное прямолинейное движение, передаваемое колесам. Для прямолинейного движения нужно преобразовать вращательное движение рулевого колеса в качание рулевой сошки или создать возвратно-поступательное движение рейки рулевого механизма. Помимо этого, рулевой механизм обеспечивает понижающее передаточное число, благодаря которому уменьшается усилие, прикладываемое водителем для управления колесами. Это особенно важно, когда автомобиль неподвижен или медленно двигается и вращение руля максимально затруднено.
Соотношение между углом поворота рулевого колеса и углом поворота колес называется передаточным числом рулевого управления. Передаточные числа могут быть постоянными и переменными. Рулевое управление с постоянным передаточным числом именуется «линейным». При линейном рулевом управлении поворот рулевого колеса на фиксированное количество градусов перемещает управляемые колеса на пропорциональный угол, зависящий от передаточного числа, при любом положении рулевого управления.
Рулевое управление с переменным передаточным числом именуется «пропорциональным». При пропорциональном рулевом управлении передаточное число изменяется с каждым поворотом рулевого колеса. Как правило, по мере увеличения угла поворота рулевого колеса скорость изменения угла поворота колес увеличивается. Передаточное число – это угол поворота рулевого колеса, деленный на угол поворота колес.
Обычно понижающее передаточное число рулевого управления находится в пределах от 14:1 до 22:1. При передаточных числах от 14:1 до 18:1, как правило, требуется усилитель рулевого управления. Для перемещения колес между предельными положениями требуется повернуть рулевое колесо на 3–4 полных оборота. Рулевой механизм должен быть достаточно прочным и выдерживать разные нагрузки, которым он подвергается в различных условиях движения. Водитель не должен ощущать через рулевое колесо толчки, сопровождающие движение.
5.3.1. Рулевые механизмы
Существует несколько различных вариантов конструкций рулевых механизмов, но основных типов два:
Рулевые механизмы с вращательным движением (рис. 5.26);
Рис. 5.26. Рулевой механизм с вращательным движением
Рулевые механизмы со скользящим движением (рис. 5.27).
Рис. 5.27. Рулевой механизм со скользящим движением
Рулевые механизмы с вращательным движением
Рулевые механизмы с вращательным движением имеют различные конструкции:
Шариковинтовой рулевой механизм;
Рулевой механизм типа «винт-гайка» с кольцами-ползунами;
Червячно-секторный рулевой механизм;
Червячно-роликовый рулевой механизм;
Рулевой механизм с червяком и роликовым пальцем.
На рис. 5.28 изображен шариковинтовой рулевой механизм. В нем используется несколько шариков, которые циркулируют в «дорожках», образованных канавками, имеющимися в рулевой гайке и на рулевом валу. При вращении рулевого вала шарики катятся по «дорожкам» и заставляют рулевую гайку перемещаться вверх или вниз по рулевому валу. Рулевую сошку вращает зубчатый сектор, который находится в зацеплении с зубьями на рулевой гайке.
Рис. 5.28. Шариковинтовой рулевой механизм
Передаточное число в этом рулевом механизме постоянное. Шарики снижают трение между подвижными элементами, поэтому рулевой механизм этого типа практически не подвержен износу. Повышенный люфт в рулевом механизме, как правило, можно устранить путем регулировки положения рулевого вала.
На рис. 5.29 изображен рулевой механизм с червяком и роликовым пальцем. В его конструкции используется цилиндрический червяк с неравномерным шагом. При вращении червяка конический палец перемещается в осевом направлении вдоль червяка. Рулевая сошка закреплена на соответствующем валу, соединенным с пальцем, и может поворачиваться на 70°. Износ рабочих элементов этого механизма относительно низкий, люфт в рулевом вале и между пальцем и червяком регулируется. Передаточное число рулевого механизма с червяком и роликовым пальцем пропорционально изменяется вследствие неравномерного шага червяка.
Рис. 5.29. Рулевой механизм с червяком и роликовым пальцем
Червячно-секторный рулевой механизм представлен на рис. 5.30.
Рис. 5.30. Червячно-секторный рулевой механизм
В рулевом механизме этого типа на конце рулевого вала предусмотрен цилиндрический червяк, который перемещает зубчатый сектор. Преимущество червячного рулевого механизма заключается в том, что можно легко добиться высокого передаточного числа – до 22:1. Зубчатый сектор находится в постоянном зацеплении с червяком, любой поворот рулевого вала вызывает поворот зубчатого сектора. Рулевая сошка закреплена на зубчатом секторе и может поворачиваться на 70°. Износ рулевого механизма этого типа относительно высокий из-за трения скольжения рабочих элементов. Недостаток червячно-секторного рулевого механизма состоит в том, что водителю требуется прикладывать к рулевому колесу значительное усилие.
На рис. 5.31 изображен рулевой механизм типа «винт-гайка» с кольцами-ползунами.
Рис. 5.31. Рулевой механизм типа «винт-гайка» с кольцами-ползунами
По принципу действия этот механизм аналогичен рулевому механизму с циркуляцией шариков. Кольца-ползуны, расположенные сбоку от рулевой гайки, передают перемещение гайки к рулевой вилке. Рулевая сошка, установленная на вал сошки, который находится на рулевой вилке, поворачивается на 90°. Износ рулевого механизма этого типа, вызываемый трением, как правило, высокий. Передаточное число постоянное.
Рис. 5.32 представляет червячно-роликовый рулевой механизм.
Рис. 5.32. Червячно-роликовый рулевой механизм
В этом рулевом механизме для передачи движения от червяка вместо зубчатого сектора используется ролик. Червяк в этом рулевом механизме сводится на конус в направлении к центру и принимает форму, напоминающую песочные часы (глобоидную). Преимущество этой формы червяка в том, что она позволяет ролику поворачиваться относительно своего центра, и это уменьшает размер рулевого механизма. Рулевая сошка прикреплена к валу ролика и может поворачиваться на 90°. Передаточное число остается постоянным. Повышенный люфт можно устранить, отрегулировав положение рулевого вала.
Рулевой механизм со скольжением
На рис. 5.33 изображен рулевой механизм с постоянным шагом зубьев – наиболее распространенный тип рулевого механизма, применяемый в современных автомобилях.
Рис. 5.33. Рулевой механизм с постоянным шагом зубьев
В реечных рулевых механизмах для создания линейного перемещения рейки используется вращающаяся шестерня. Зубья шестерни находятся в постоянном зацеплении с зубьями рейки, и любое перемещение вала рулевой колонки вызывает поперечное перемещение рулевой рейки. Перемещение рейки напрямую передается к рулевым тягам, установленным на обоих концах рейки. Шаровые шарниры, расположенные между рейкой и рулевыми тягами, обеспечивают возможность независимого вертикального перемещения рулевых тяг. Рейка удерживается в зацеплении с шестерней с помощью подпружиненной прижимной колодки, которая регулирует любой зазор между зубьями. Трение скольжения между рейкой и шестерней осуществляет амортизирующее действие и поглощает толчки, возникающие при движении.
В числе преимуществ реечного рулевого механизма – прямое рулевое управление. Передаточное число постоянное.
На рис. 5.34 изображена рейка рулевого механизма с переменным шагом зубьев. Для наглядности корпус и шестерня рулевого механизма не показаны.
Рис. 5.34. Рейка рулевого механизма с переменным шагом зубьев
Реечный рулевой механизм с переменным шагом зубьев работает так же, как и описанный выше реечный рулевой механизм с постоянным шагом. В центре рейки шаг зубьев больше, чем на краях. Переменный шаг дает возможность увеличивать передаточное число рулевого управления по мере вращения шестерни. Зубья в центре рейки обеспечивают большее перемещение рейки при каждом повороте шестерни, для чего требуется относительно большое усилие. Зубья на концах рейки обеспечивают меньшее перемещение рейки, для чего требуется относительно небольшое усилие водителя. Для устранения этого недостатка на современных автомобилях устанавливаются усилители рулевого управления. Фактически в этой системе, чем больше поворачивается рулевое колесо, тем меньше усилие. При движении по прямой рулевое управление тяжелее, чем при повороте рулевого колеса в предельное положение – это облегчает маневрирование и парковку.
В реечном рулевом механизме с переменным шагом предусмотрено пропорционально возрастающее передаточное число.
На рис. 5.35 (см. также на цветной вклейке рис. ЦВ 5.35) изображена типовая гидравлическая система усилителя рулевого управления, оснащенная жидкостным насосом, который служит для подачи рабочей жидкости под давлением в гидравлический контур. Насос может иметь электрический привод и находиться в бачке усилителя рулевого управления или иметь механический привод от двигателя.
Рис. 5.35. Гидравлическая система усилителя рулевого управления
Механические насосы, как правило, снабжены отдельным бачком для рабочей жидкости. Рабочая жидкость под давлением, созданным насосом, поступает в золотниковый распределительный клапан в рулевом механизме. Когда рулевой вал находится в прямолинейном положении, рабочая жидкость проходит через золотниковый распределительный клапан и возвращается в бачок. При повороте рулевого колеса золотниковый распределительный клапан направляет рабочую жидкость на соответствующую сторону поршня, который располагается в цилиндре на конце реечного рулевого механизма. Тяга, присоединенная к поршню, соединена с рейкой, и любое давление рабочей жидкости, воздействующее на поршень, способствует перемещению рейки. Рабочая жидкость с обратной стороны возвращается в бачок через золотниковый распределительный клапан. При повороте рулевого колеса в другом направлении происходит противоположный процесс. Если усилитель рулевого управления выходит из строя, сохраняется механическое действие рулевого механизма, но при этом придется прикладывать гораздо большее усилие.
5.3.2. Рулевой привод
Рулевой привод служит для передачи усилия водителя через рулевое колесо к управляемым колесам автомобиля. Рулевой механизм преобразует вращательное движение рулевого колеса в прямолинейное движение, которое тянет тяги рулевого привода. Преобразованное движение передается от рулевого механизма к рулевому приводу. Шаровые шарниры на концах продольных и поперечных рулевых тяг обеспечивают возможность любых поворотных и вращательных перемещений в приводе. Компоновка и количество поперечных рулевых тяг в рулевом приводе зависит от конструкции моста и подвески.
Варианты компоновки приводов рулевого механизма
Простейшая конструкция рулевого привода – это односекционная поперечная рулевая тяга, перемещаемая рулевой сошкой (рис. 5.36). Рулевая сошка толкает или тянет продольную рулевую тягу для перемещения рычага, который соединен с поворотным шарниром на поворотном кулаке. Поперечная рулевая тяга соединяет оба поворотных шарнира на поворотных кулаках передних колес автомобиля. Любое перемещение одного из поворотных шарниров передается через рулевую тягу к шарниру на противоположном поворотном кулаке.
Рис. 5.36. Рулевой привод с односекционной рулевой тягой
Рулевой привод этого типа, как правило, применяется в автомобилях с жестким мостом, в которых расстояние между рычагами поворотных кулаков не изменяется. Для соединения продольной рулевой тяги с рычагами поворотных кулаков служат шаровые шарниры.
На рис. 5.37 изображен доработанный вариант односекционной рулевой тяги – рулевой привод с двухсекционной рулевой тягой, перемещаемой рулевой сошкой. Рулевая сошка тянет или толкает две отдельные рулевые тяги, которые соединены с рычагами поворотных кулаков посредством шаровых шарниров. Перемещение рулевых тяг поворачивает поворотные шарниры на поворотных кулаках. Рулевой привод этого типа, как правило, применяется в автомобилях с независимой подвеской, в которой поворотные шарниры могут перемещаться один независимо от другого.
Рис. 5.37. Рулевой привод с двухсекционной рулевой тягой
Рулевой привод с трехсекционной рулевой тягой, перемещаемой рулевой сошкой, представлен на рис. 5.38. В этой рулевой тяге предусмотрен маятниковый рычаг, который передает движение рулевого управления к противоположной стороне автомобиля. Рулевой привод этого типа применяют в автомобилях с независимой подвеской, но у этого варианта конструкции высокая стоимость.
Рис. 5.38. Рулевой привод с трехсекционной рулевой тягой
Трехсекционная рулевая тяга обеспечивает самую высокую степень точности и максимальный контроль над рулевым управлением. При движении автомобиля по неровной дороге толчки передаются через рулевой привод и механизм рулевого управления водителю. Для смягчения этих толчков на рулевой привод устанавливают амортизатор. Амортизаторы рулевого управления могут быть встроены в рулевой привод любого типа (рис. 5.39), но в автомобилях с реечным рулевым механизмом их применяют не часто. Амортизатор рулевого управления помогает противодействовать повышению усилий на рулевом колесе и непреднамеренному перемещению рулевого колеса.
Рис. 5.39. Амортизаторы рулевого управления
На рис. 5.40 изображены рулевые приводы с двухсекционными рулевыми тягами перемещаемой рейки. В реечной системе рулевого управления для передачи рулевого воздействия к поворотным кулакам используются две рулевые тяги.
Рис. 5.40. Рулевые приводы с двухсекционными рулевыми тягами
Существуют также рулевые рейки для соединения с поворотными кулаками. В них применяются рулевые привода похожей конструкции. Прямолинейное перемещение рулевой рейки передается через шаровой шарнир на рулевые тяги.
5.3.3. Диагностика и техническое обслуживание передней, задней подвески и рулевого управления
Неисправности и способы их устранения
Величина свободного хода рулевого колеса указана в инструкции по эксплуатации автомобиля. Увеличенный свободный ход обнаруживается покачиванием рулевого колеса. Причин для его возникновения может быть несколько:
Ослабление затяжки гаек крепления шаровых шарниров рулевых тяг;
Увеличенный зазор шаровых шарниров рулевых тяг;
Увеличенный зазор шаровых шарниров рычагов передней подвески;
Люфт в результате износа передних ступичных подшипников;
Люфт в результате износа зубьев рулевого механизма;
Люфт в упругой муфте, соединяющей рулевой механизм с валом рулевого колеса;
Люфт в подшипниках рулевого вала рулевого колеса.
Для устранения неисправности необходимо проверить затяжку всех креплений и произвести замену изношенных деталей.
Шум (стуки) в рулевом управлении могут вызвать следующие причины:
Ослабление гаек крепления шаровых шарниров рулевых тяг;
Увеличение зазора между упором рейки и гайкой;
Ослабление гаек крепления рулевого механизма, а также все вышеперечисленные неисправности.
Тугое вращение рулевого колеса:
Повреждение подшипника верхней опоры вала рулевого колеса;
Понижение давления воздуха в шинах передних колес;
Повреждение деталей телескопической стойки и подвески колес;
Нарушение работы насоса рулевого гидроусилителя;
Попадание посторонних частиц в гидросистему рулевого управления;
Повышенный уровень масла в бачке насоса рулевого управления;
Износ или повреждение манжет рулевого механизма и насоса;
Износ шлангов гидросистемы.
Для устранения неисправностей необходимо проверить затяжку всех креплений и произвести замену изношенных узлов и деталей, а также проверить уровень жидкости гидроусилителя рулевого управления и заменить изношенные и поврежденные детали гидроусилителя.
Из книги Пилотируемые полеты на Луну автора Шунейко Иван Иванович2.1. Реактивная система управления корабля Apollo. Общая характеристика системы управления Все 3 отсека корабля Apollo – командный отсек, служебный отсек и лунный корабль – имеют самостоятельные реактивные системы управления (рис. 21.1). Рис. 21.1. Корабль Apollo: 1 – лунный корабль; 2 –
Из книги Теплотехника автора Бурханова Наталья Из книги Определение и устранение неисправностей своими силами в автомобиле автора Золотницкий ВладимирРабота бесплатформенной аварийной системы управления Двумя участками, на которых работа аварийной системы управления в максимальной степени подвержена влиянию динамики полета лунного корабля, являются участки спуска и подъема (обычно разделенные отрезком времени, в
Из книги Последний рывок советских танкостроителей автора Апухтин Юрий Из книги Мир Авиации 2000 01 автора Автор неизвестенДиагностика неисправностей рулевого управления и их устранение Повышенная передача но руль дорожных толчков при движении автомобиля. Вибрация и стуки, ощущаемые на рулевом колесе Диагностика элементов рулевого управления сводится к прослушиванию стуков при резких
Из книги Обслуживаем и ремонтируем Волга ГАЗ-3110 автора Золотницкий Владимир АлексеевичРабота на поприще СТК Этим «Посмотрим» заканчивается мой дневник, дальше записей я не вёл по причине какой-то беспросветной перспективы создания танка, принципиально ничего не менялось и работы продолжались в том же духе, что и в 1989 г.После избрания меня председателем
Из книги Советы автомеханика: техобслуживание, диагностика, ремонт автора Савосин СергейМужская работа Владимир РАТКИН Москва«Гул моторов нарушал тишину нашего командного пункта. Вдруг я услышал, как кто-то бранится, призывая на помощь всех святых. …Вероятно, опять какая-то авария, подумал я. В этот час это было неприятно. Регулярно в десять часов вечера
Из книги Грузовые автомобили. Ведущие мосты автора Мельников ИльяВозможные неисправности рулевого управления с
Из книги Грузовые автомобили. Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы автора Мельников Илья2.2. Устройство и работа Бензиновый двигатель – это двигатель с возвратно-поступательным движением поршней и принудительным воспламенением, работающий на топливно-воздушной смеси. В процессе сгорания запасенная в топливе химическая энергия преобразуется в тепловую, а
Из книги История электротехники автора Коллектив авторов4.1. Устройство и работа Для передачи крутящего момента от коленчатого вала двигателя к колесам автомобиля необходимо сцепление (если у автомобиля ручная КПП), коробка передач, карданная передача (для заднеприводной машины), главная передача с дифференциалом и полуоси
Из книги автора5.2. Устройство и работа передней и задней подвески Рассмотрим наиболее распространенные виды подвески переднего моста.1. Двойные поперечные рычаги (рис. 5.3). Рис. 5.3. Передняя подвеска с двойными поперечными рычагамиЗдесь показаны элементы базовой системы независимой
Из книги автораНеисправности подвески и рулевого управления К неисправностям подвески и рулевого управления относятся:– увеличение свободного хода (люфта) рулевого колеса;– повышение силы, необходимой для поворота передних колес, слишком "жесткое" рулевое управление;– подтекание
Из книги автораРегулировка рулевого управления Техническое состояние рулевого управления непосредственно влияет на безопасность движения, поэтому регулировать его механизмы надо своевременно и особенно тщательно. Приближенно оценить техническое состояние рулевого колеса, т.е.
Из книги автораТехническое обслуживание системы рулевого управления с гидроусилителем руля Люфт руля на автомобилях с гидроусилителем измеряют при работающем двигателе. Как правило, рулевой механизм с гидроусилителем прост в обслуживании. Даже когда отказывает насос
Из книги автораСхема, устройство работа В механизм газораспределения входят: распределительный вал и его привод. Передаточные детали – толкатели с направляющими втулками, а при верхнем расположении клапанов еще штанги и коромысла, клапаны, их направляющие втулки и пружины, опорные
Из книги автора5.5.4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И КОМПЛЕКСЫ ПРОТИВОАВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ Работы по созданию автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) электроэнергетических объектов были начаты с появлением
Он обеспечивает поворот управляемых колес с небольшим усилием на рулевом колесе. Это может быть достигнуто за счет увеличения передаточного числа рулевого механизма. Однако передаточное число ограничено количеством оборотов рулевого колеса. Если выбрать передаточное число с количеством оборотов рулевого колеса больше 2-3, то существенно увеличивается время, требуемое на поворот автомобиля, а это недопустимо по условиям движения. Поэтому передаточное число в рулевых механизмах ограничивают в пределах 20-30, а для уменьшения усилия на рулевом колесе в рулевой механизм или привод встраивают усилитель.
Ограничение передаточного числа рулевого механизма также связано со свойством обратимости, т. е. способностью передавать обратное вращение через механизм на рулевое колесо. При больших передаточных числах увеличивается трение в зацеплениях механизма, свойство обратимости пропадает и самовозврат управляемых колес после поворота в прямолинейное положение оказывается невозможным.
Рулевые механизмы в зависимости от типа рулевой передачи разделяют на:
червячные,
винтовые,
шестеренчатые.
Рулевой механизм с передачей типа червяк - ролик имеет в качестве ведущего звена червяк, закрепленный на рулевом валу, а ролик установлен на роликовом подшипнике на одном валу с сошкой. Чтобы сделать полное зацепление при большом угле поворота червяка, нарезку червяка выполняют по дуге окружности - глобоиде. Такой червяк называют глобоидным.
В винтовом механизме вращение винта, связанного с рулевым валом, передается гайке, которая заканчивается рейкой, зацепленной с зубчатым сектором, а сектор установлен на одном валу с сошкой. Такой рулевой механизм образован рулевой передачей типа винт-гайка-сектор.
В шестеренчатых рулевых механизмах рулевая передача образуется цилиндрическими или коническими шестернями, к ним же относят передачу типа шестерня-рейка. В последних цилиндрическая шестерня связана с рулевым валом, а рейка, зацепленная с зубьями шестерни, выполняет роль поперечной тяги. Реечные передачи и передачи типа червяк-ролик преимущественно применяют на легковых автомобилях, так как обеспечивают сравнительно небольшое передаточное число. Для грузовых автомобилей используют рулевые передачи типа червяк-сектор и винт-гайка-сектор, снабженные либо встроенными в механизм усилителями, либо усилителями, вынесенными в рулевой привод.
Конструкции рулевого привода различаются расположением рычагов и тяг, составляющих рулевую трапецию, по отношению к передней оси. Если рулевая трапеция находится впереди передней оси, то такая конструкция рулевого привода называется передней рулевой трапецией, при заднем расположении - задней трапецией. Большое влияние на конструктивное исполнение и схему рулевой трапеции оказывает конструкция подвески передних колес.
При зависимой подвеске (рис. 2.(а)) рулевой привод имеет более простую конструкцию, так как состоит из минимума деталей. Поперечная рулевая тяга в этом случае сделана цельной, а сошка качается в плоскости, параллельной продольной оси автомобиля. Можно сделать привод и с сошкой, качающейся в плоскости, параллельной переднему мосту. Тогда продольная тяга будет отсутствовать, а усилие от сошки передается прямо на две поперечные тяги, связанные с цапфами колес.
При независимой подвеске передних колес (рис. 2.(б)) схема рулевого привода конструктивно сложнее. В этом случае появляются дополнительные детали привода, которых нет в схеме с зависимой подвеской колес. Изменяется конструкция поперечной рулевой тяги. Она сделана расчлененной, состоящей из трех частей: основной поперечной тяги и двух боковых тяг - левой и правой. Для опоры основной тяги служит маятниковый рычаг, который по форме и размерам соответствует сошке. Соединение боковых поперечных тяг с поворотными рычагами цапф и с основной поперечной тягой выполнено с помощью шарниров, которые допускают независимые перемещения колес в вертикальной плоскости. Рассмотренная схема рулевого привода применяется главным образом на легковых автомобилях.
Рулевой привод, являясь частью рулевого управления автомобиля, обеспечивает не только возможность поворота управляемых колес, но и допускает колебания колес при наезде ими на неровности дороги. При этом детали привода получают относительные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях и на повороте передают усилия, поворачивающие колеса. Соединение деталей при любой схеме привода производят с помощью шарниров шаровых либо цилиндрических.
Основным узлом в любом транспортном средстве является рулевое управление. Для чего же нужно рулевое управление? За все время совершенствования конструкции системы, основной принцип работы рулевого управления остался прежним. Он заключается в преобразовании и передачи физического усилия водителя во время воздействия на руль автомобиля на колеса. Другими словами узел рулевого управления обеспечивает обратную связь, позволяя изменять траекторию движения транспортного средства.
Из чего состоит рулевое управление автомобиля? Общее устройство конструкции этого узла на транспортных средствах представлена следующими элементами:
Схема взаимодействия руля автомобиля с ведущей колесной парой не является сложной. Водитель через привод передает усилие на рулевой механизм, который обеспечивает поворот колес. Помимо этого, узел, обеспечивая обратную связь, предоставляет информацию о состоянии дорожного покрытия. Согласно вибрациям рулевого колеса максимально точно определяется тип движения, на основании чего происходит диагностика и корректируется управление машиной.
Средний диаметр руля легкового транспорта составляет примерно 400 мм. В грузовой и специальной технике руль несколько больше, а в спорткарах меньше.
Между рулем и механизмом расположена рулевая колонка, которая представлена прочным валом с шарнирными соединениями. Особенностью конструкции колонки является минимальный риск получения травматизма водителя в случае ДТП, поскольку при сильном лобовом столкновении происходит ее схлопывание. Для комфортной эксплуатации транспортного средства, положение рулевой колонки настраивается при помощи механического либо электрического привода. Помимо этого, предусмотрена система блокировки механизма, которая позволяет предотвратить угон автомобиля.
Главное назначение рулевого управления заключается в увеличении механического усилия водителя и его передача на колеса. Для этого в конструкцию системы включен специальный редуктор. На легковых автомобилях в основном используют следующие типы рулевого управления:
Примечательно, что в рулевом управлении подруливание колес может осуществляться системой в пассивном режиме. Это возможно благодаря наличию в конструкции задней части подвески специальных упругих резинометаллических деталей. При возникновении крена кузова за счет изменения величины и направления нагрузки осуществляется изменение направления движения. Рулевое управление с функцией подруливания задних колес позволяет эффективно распределить усилие для поворота всех колес. Помимо этого, такая система не позволяет осуществить поворот колес при активном состоянии подвески.
В конструкцию адаптивной системы подруливания входят шарниры и тяги. Шарнир имеет несколько элементов в своем составе, для удобства использования его конструкция представлена в виде снимающегося наконечника. Кинематическую схему рулевого управления автомобиля удобнее всего представить в идее прямоугольника, на каждой из сторон которого находятся:
Плечи, продольный и поперечный наклон обеспечивают стабилизацию движения, в то время как остальные параметры находятся в постоянном противодействии. Поэтому еще одной задачей рулевого управления является стабилизация всех возникающих в процессе движения сил.
Однако большее распространение получил последний тип. Гидравлика отличается надежностью конструкции и плавностью работы, но требует технического обслуживания по замени жидкости. Электроусилитель рулевого управления встречается реже, но все же большинство моделей современной автомобильной техники укомплектовано именно им. Усиление в нем обеспечивает электрический привод. Заметим, что электронное управление отличается наличием расширенного ряда возможностей, но изредка требует проверки и регулировки.
Одной из перспективных разработок в автомобилестроении является интеллектуальная система автоматического управления транспортными средствами. Можно сказать, что автопилот, описанный большинством писателей-фантастов в своих произведениях, теперь стал реальностью. Сегодня современной автомобильной технике по силам выполнение большинства действий без участия водителя, самым распространенным из которых является парковка.
Лидером по производству автомобилей оборудованных этой инновационной системой является немецкий концерн BMW, который активно использует на своем модельном ряде сдвоенный планетарный редуктор. Управление таким редуктором осуществляется при помощи электропривода, в результате чего удается совместно с изменением скорости транспортного средства изменять придаточное отношение при передаче усилия от руля к поворотным колесам. Благодаря такому техническому решению значительно повышается быстродействие, и обеспечивается максимально точная обратная связь.
Рулевой механизм - часть рулевого управления, облегчающая управление автомобилем, благодаря значительному передаточному числу в редукторе. К конструкции рулевых механизмов предъявляют следующие требования:
Рулевые механизмы выполняются с достаточно большими передаточными числами. Передаточное число (м м) определяется отношением углов поворота рулевого колеса и вала сошки рулевого механизма. У легковых автомобилей передаточное число от 16 до 20, а у грузовых автомобилей 20-25. Обычно передаточное число рулевого механизма величина постоянная (табл. 20.1).
Таблица 20.1. Передаточные числа рулевых механизмов
|
Легковые автомобили |
Грузовые автомобили |
Автобусы |
|||
Конструкции некоторых рулевых механизмов позволяют изменять передаточное число в процессе поворота рулевого колеса или в сторону увеличения (для грузовых автомобилей), или в сторону уменьшения (для легковых автомобилей). Делается это для повышения безопасности движения на высоких скоростях и облегчения управления автомобилем при маневрировании.
Наиболее применяемыми являются три типа рулевых механизмов: червячные, винтовые и реечные. В червячном и реечном рулевом механизмах в передаче усилия на вал сошки участвует одна пара деталей, а в винтовом рулевом механизме из-за низкого КПД винтовой пары вводится еще одна дополнительная пара. Поэтому такие рулевые механизмы называются комбинированными.
Червячные рулевые механизмы применяются как на легковых, так и на грузовых автомобилях и автобусах. Они различаются формой червяка и конструкцией сопрягаемого с червяком ведомого элемента. Наибольшее распространение получили червячно-роликовые рулевые механизмы. Рулевая пара состоит из глобоидального червяка и двух- или трехгребневого ролика. Червяк называют глобоидальным потому, что он имеет вогнутую форму, т. е. форму однополостного гиперболоида вращения. Такая передача имеет высокую нагрузочную способность из-за одновременного зацепления большого числа зубьев и малые потери на трение, так как трение скольжения в этой передаче заменено трением качения.
В зацеплении червяка с роликом предусматривают переменный зазор: от практически беззазорного зацепления в среднем положении ролика, соответствующего прямолинейному движению, до значительно увеличенного зазора в крайних положениях. Такое изменение зазоров достигается смещением центра вала сошки по направлению к червяку. Оно необходимо для исключения заклинивания рулевого механизма в крайних положениях после регулировки, возникающего в результате изнашивания зазора в средней части червячной пары.
На рис. 20.5 представлен червячный рулевой механизм автомобиля ГАЗ-66-11. Он состоит из картера /, 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 бумажных прокладок 3 для регулировки подшипников червяка.
Рис. 20.5. Червячный рулевой механизм автомобиля ГАЗ-66-11: 1 - картер; 2 - ролик; 3 - регулировочные прокладки; 4- нижняя крышка; 5, 8, 11, 17, 18- подшипники; 6- червяк; 7 - вал; 9 - шпонка; 10 - ось; 12 - винт; 13 - штифт; 14 - вал сошки; 15 - уплотнительная манжета; 16 - сошка; 19 - стопорная шайба; 20 - гайка
Ролик установлен на оси 10 на подшипниках 77 в щечках головки вала сошки. Вал сошки вращается в двух подшипниках 77 и 18. В месте выхода вала сошки установлена уплотнительная манжета 15. На шлицованную часть вала посажена сошка 16. Правильность установки сошки достигается наличием на ней четырех сдвоенных шлицов.
Зацепление червяка с роликом регулируют с помощью винта 72, который ввернут в боковую крышку картера. Винт фиксируется с помощью стопорной шайбы /9, 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.
Разновидностью червячного рулевого механизма является червяч-но-спироыдныы рулевой механизм с боковым сектором , который применяется на автомобиле Урал-4320 (рис. 20.6). Рулевая пара состоит из двухходового цилиндрического червяка 2 и бокового сектора 3 со спиральными коническими зубьями. Червяк закреплен на валу 4 , который вращается на подшипниках 7, допускающих небольшое осевое перемещение. Сектор 3 выполнен заодно с валом 6, на шлицах которого устанавливается сошка 5.
Углы спиралей червяка и сектора разные. 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. За-
Рис. 20.6. Рулевой механизм автомобиля Урал-4320: 1 - подшипник; 2 - червяк; 3 - сектор; 4 - вал червяка; 5 - сошка; 6 - вал сошки; 7 - игольчатый подшипник; 8, 9 - упоры; 10 -
регулировочная шайба
цепление 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.
Винтовые рулевые механизмы применяются на автомобилях большой грузоподъемности и, как правило, имеют две рабочие пары: винт-гайка и рейка-зубчатый сектор. Они отличаются от обычной винтовой пары тем, что момент передается от винта на гайку не непосредственно, а через шарики. Дорожками качения при этом для них 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 в крайних положениях.
Зазор в зацеплении поршня-рейки с сектором вала сошки регулируют 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.
Рулевой механизм автомобиля ЗИЛ-431410 показан на рис. 20.7. Редуктор соединяется с валом рулевого колеса с помощью карданного вала с двумя шарнирами. Картер 3 редуктора отлит из чугуна и имеет нижнюю /, промежуточную 9, верхнюю 14 и боковую 19 крышки. В картере размещается поршень-рейка 4, в которой неподвижно установлена шариковая гайка 6. Шариковая гайка собрана с винтом таким образом, что образуются винтовые канавки, в которые вкладываются шарики 8. В паз шариковой гайки, соединенный двумя отверстиями с ее винтовой канавкой, вставляют два штампованных желоба 7, образующих трубку, по которой шарики, выкатываясь при повороте винта 5 с одного конца гайки, возвращаются к ее другому концу.
Поршень-рейка 4 находится в зацеплении с зубчатым сектором 18 вала 21 сошки, который вращается на запрессованных в картер бронзовых втулках. Осевое перемещение вала сошки производится путем вращения регулировочного винта 20, головка которого входит в отверстие вала сошки. При завертывании регулировочного болта уменьшается за-
Рис. 20.7. Винтореечный рулевой механизм автомобиля ЗИЛ-431410: 1 - нижняя крышка; 2 - заглушка; 3 - картер; 4 - поршень-рейка; 5 - винт; 6 - гайка; 7 - желоб; 8 - шарик; 9 - промежуточная крышка; 10 - упорный подшипник; 11 - шариковый клапан; 12 - золотник; 13 - корпус клапана управления; 14 - верхняя крышка; 15 -пружина; 16 - реактивный плунжер; 17 - установочный винт; 18 - зубчатый сектор; 19 - боковая крышка; 20 - регулировочный винт; 21 - вал сошки; 22 - магнитная пробка; 23 - сошка
зор в зацеплении рейка-зубчатый сектор, увеличивающийся из-за этого момент сопротивления повороту не должен превышать 500 Н. На наружный шлицованный конец вала устанавливается сошка 23.
При вращении рулевого колеса усилие водителя передается через вал рулевого колеса и карданную передачу на винт 5. Шариковая гайка 6 перемещается вдоль оси винта, увлекает за собой поршень-рейку 4 , которая производит поворот зубчатого сектора 18 с валом 21 сошки вокруг своей оси. Усилие от сошки 23 передается на рулевой привод, который поворачивает управляемые колеса.
По аналогичной схеме работают рулевые механизмы автомобилей марок «КамАЗ», «КрАЗ», «МАЗ».
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. Рабочей парой 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.
Повышенная чувствительность к внешним воздействиям вследствие малого трения, чувствительность к колебаниям рулевого управления вызывают необходимость установки амортизаторов или усилителей для поглощения толчков.
Реечный рулевой механизм (рис. 20.8) состоит из картера 2, в котором на двух подшипниках 6 и? установлено приводное зубчатое колесо 7, находящееся в зацеплении с рейкой 10. Рейка поджимается к зубчатому колесу пружиной 12 через металлокерамический упор 11. Регулировка зазора в зацеплении осуществляется гайкой 13.
Рис. 20.8. Реечный рулевой механизм автомобиля ВАЗ-2109: 1 - защитный чехол; 2 - картер рулевого механизма; 3 - эластичная муфта; 4 - поворотный рычаг; 5 - рулевая тяга; 6 - роликовый подшипник; 7 - зубчатое колесо; 8 - шариковый подшипник; 9 - вал рулевого управления; 10 - рейка; 11 - упор рейки; 12 - пружина; 13 - гайка упора
При повороте вала 9, связанного с рулевым колесом, зубчатое колесо 7 перемещает рейку 10, от которой усилие передается на рулевые тяги и далее через поворотные рычаги 4 на колеса.
Рулевые колонки и валы. В общем случае передача вращения от рулевого колеса на рулевой механизм осуществляется валом, который размещается внутри колонки. На грузовых автомобилях (рис. 20.9, а, б) 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 с помощью гайки. Нижний конец вала имеет канавку для крепления вилки карданной передачи. В центре рулевого колеса расположено контактное устройство кнопки сигнала.
Рулевой вал и винт рулевого механизма не всегда соосны из-за компоновки автомобиля и необходимости правильной установки рулевого колеса. Кроме того, угол между валом и винтом может меняться, так как кабина 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 позволяет поднимать кабину для того, чтобы обеспечить доступ к двигателю. Карданная передача рулевого механизма име-
Рис. 20.9. Рулевые колонки грузовых автомобилей: а - КамАЗ-5320; б - ГАЗ-66-11; в - угловой редуктор; 1 - клапан управления усилителя руля; 2 - карданная передача; 3 - рулевая колонка; 4 - рулевое колесо; 5 - рулевой механизм; 6 - угловой редуктор; 7 - подшипник; 8 - рулевой вал; 9 - кронштейн крепления; 10 - ведущее зубчатое колесо; 11 - крышка; 12 - вал ведущего зубчатого колеса; 13, 14 - подшипники; 15 - ведомое зубчатое колесо
ет 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. 20, в) с передаточным числом 1. 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. 20.10, а) рулевая колонка включает в себя вал 7, размещенный в трубе, которая крепится к передней панели. Соединение рулевого вала с валом с ведущим зубчатым колесом рулевого механизма осуществляется 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.
Рис. 20.10. Рулевые колонки легковых автомобилей: а - рулевая колонка; б - деформируемый рулевой вал; / - рулевой вал; 2 - рулевая колонка с кронштейном крепления; 3 - подшипник; 4 - перфорированный трубчатый рулевой вал
Рулевые колонки могут становиться причиной серьезных травм водителя при авариях. Для уменьшения опасного воздействия рулевой колонки на водителя используется рулевое колесо, которое деформируется при ударе и поглощает часть энергии удара. Вал рулевого колеса при аварии должен изгибаться или расцепляться, 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 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. 20.10, б). Такой вал представляет собой перфорированную трубу, которая может значительно укорачиваться при силовом воздействии на нее в осевом направлении.
Рулевой вал также может состоять из двух частей и соединяться несколькими продольными пластинами, которые будут при ударе изгибаться, поглощая энергию.
