Одной из основных систем, обеспечивающих безопасность передвижения на автомобиле, является рулевое управление. Назначение рулевого управления автомобиля - возможность менять направление движения, совершать повороты и маневры при объезде препятствий или обгоне. Эта составляющая также важна, как и тормозная система. Доказательством тому является предписание ПДД, эксплуатация автомобиля с неисправными указанными механизмами категорически запрещена.

Особенности узла и конструкция

На автомобилях используется кинематический способ смены направления движения, подразумевающий, что осуществление поворота происходит за счет смены положения управляемых колес. Обычно управляемой является передняя ось, хотя существуют и авто с так называемой системой подруливания. Особенность работы в таких авто заключается в том, что колеса задней оси тоже поворачиваются при изменении направления, хоть и на меньший угол. Но пока эта система широкого распространения не получила.

Помимо кинематического способа на технике используется еще и силовой. Особенность его заключается в том, что для совершения поворота колеса одной стороны притормаживаются, в то время, как с другой стороны они продолжают двигаться с прежней скоростью. И хоть этот способ изменения направления на легковых авто распространения не получил, на них он все же используется, но в несколько ином качестве – как система курсовой устойчивости.

Этот узел автомобиля состоит из трех основных элементов:

• рулевая колонка;
• рулевой механизм;
• привод (система тяг и рычагов);

Рулевой узел

У каждой составляющей – своя задача.

Рулевая колонка

Выполняет передачу вращательного усилия, которое создает водитель для изменения направления. Состоит она из рулевого колеса, располагаемого в салоне (на него и воздействует водитель, вращая его). Оно жестко посажено на вал колонки. В устройстве этой части рулевого управления очень часто используется вал, разделенный на несколько частей, соединенных между собой карданными шарнирами.

Такая конструкция сделана не просто так. Во-первых, это позволяет менять угол положения рулевого колеса относительно механизма, смещать его в определенную сторону, что нередко необходимо при компоновке составных частей авто. В дополнение такая конструкция позволяет повысить комфортабельность салона – водитель может менять положение рулевого колеса по вылету и наклону, обеспечивая максимально удобное его положение.

Во-вторых, составная рулевая колонка имеет свойство «ломаться» в случае ДТП, снижая вероятность травмирования водителя. Суть такова – при фронтальном ударе двигатель может сместиться назад и толкнуть рулевой механизм. Если бы вал колонки был цельным, изменение положения механизма привело бы к выходу вала с рулевым колесом в салон. В случае же со составной колонкой, перемещение механизма будет сопровождаться всего лишь изменением угла одной составляющей вала относительно второй, а сама колонка остается неподвижной.

Рулевой механизм

Предназначен для преобразования вращения вала рулевой колонки в поступательные движения элементов привода.

Наибольшее распространение на легковых автомобилях получили механизмы типа «шестерня-зубчатая рейка». Ранее же использовался еще один вид – «червяк-ролик», который сейчас в основном используется на грузовых авто. Еще один вариант для грузовиков – «винтовой».

«шестерня-рейка»

Распространение тип «шестерня-рейка» получил благодаря сравнительно простому устройству рулевого механизма. Состоит этот конструктивный узел из трех основных элементов – корпус, в котором размещается шестерня и перпендикулярно ей – рейка. Между двумя последними элементами имеется постоянное зубчатое зацепление.

Работает этот вид механизма так: шестерня жестко связана с рулевой колонкой, поэтому она вращается вместе с валом. Из-за зубчатого соединения вращение передается на рейку, которая при таком воздействии смещается внутри корпуса в ту или иную сторону. Если водитель вращает рулевое колесо влево, взаимодействие шестерни с рейкой приводит к тому, что последняя перемещается вправо.

Зачастую на авто применяются механизмы «шестерня-рейка» с фиксированным передаточным числом, то есть диапазон поворота рулевого колеса для изменения угла колес одинаков при всех их положениях. Для примера, предположим, что для поворота колес на угол 15° необходимо сделать 1 полный оборот руля. Так вот, неважно, в каком положении находятся управляемые колеса (крайнее, прямолинейное), для поворота на указанный угол придется сделать 1 оборот.

Но некоторые автопроизводители устанавливают на свои авто механизмы с меняющимся передаточным числом. Причем достигается это достаточно просто – изменением угла положения зубьев на рейке в определенных зонах. Эффект от этой доработки механизма такой: если колеса стоят прямо, то для изменения их положения на те же 15° (пример) требуется 1 оборот. Но если они находятся в крайнем положении, то из-за измененного передаточного числа, колеса повернуться на указанный угол уже через пол-оборота. В результате диапазон поворота руля «от края до края» значительно меньше, чем в механизме с фиксированным передаточным числом.

Рейка с переменным передаточным числом

Помимо простоты устройства тип «шестерня-рейка» используется еще потому, что в такой конструкции возможна реализация исполнительных механизмов гидроусилителя (ГУР) и электроусилителя (ЭУР), а также электрогидравлического (ЭГУР).

«червяк-ролик»

Следующий тип – «червяк-ролик», менее распространен и на легковых авто сейчас практически не используется, хотя его можно встретить на автомобилях ВАЗ классического семейства.

В основе этого механизма положена червячная передача. Представляет червяк собой винт с резьбой особого профиля. Этот винт располагается на валу, соединенном с рулевой колонкой.

С резьбой этого червяка контактирует ролик, соединенный с валом, на который посажена сошка – рычаг, взаимодействующий с элементами привода.

Червячный рулевой механизм

Суть работы механизма такова: при вращении вала, винт вращается, что приводит к продольному перемещению ролика по его резьбе. А поскольку ролик установлен на валу, то это смещение сопровождается поворотом последнего вокруг своей оси. Это в свою очередь приводит к полукруговому движению сошки, которая и воздействует на привод.

От механизма типа «червяк-ролик» на легковых авто отказались в пользу «шестерни-рейки» из-за невозможности интегрировать в него гидроусилитель (на грузовых авто он все же имелся, но исполнительный механизм был вынесенным), а также достаточно сложной конструкции привода.

Винтовой тип

Конструкция винтового механизма – еще сложнее. В ней также имеется винт с резьбой, но контактирует он не с роликом, а со специальной гайкой, на внешней стороне которой нанесен зубчатый сектор, взаимодействующий с таким же, но сделанным на валу сошки. Также существуют механизмы с промежуточными роликами между гайкой и зубчатым сектором. Принцип же действия такого механизма практически идентичен червячному – в результате взаимодействия вал проворачивается и тянет сошку, а та в свою очередь – привод.

Винтовой рулевой механизм

На винтовой механизм можно установить гидроусилитель (гайка выполняет роль поршня), но на легковых авто он не применяется из-за массивности конструкции, поэтому и используется он только на грузовиках.

Привод

Привод в конструкции рулевого управления используется для передачи перемещения рейки или сошки на управляемые колеса. Причем в задачу этой составляющей входит изменение положения колес на разные углы. Обусловлено это тем, что колеса при повороте движутся по разным радиусам. Поэтому колесо с внутренней стороны при изменении траектории движения должно поворачиваться на больший угол, чем внешнее.

Конструкция привода зависит от используемого механизма. Так, если на авто используется «шестерня-рейка», то привод состоит всего лишь из двух тяг, соединенных с поворотным кулаком (роль которого выполняет амортизационная стойка) посредством шарового наконечника.

К рейке эти тяги могут крепиться двумя способами. Менее распространенным является жесткая фиксация их болтовым соединением (в некоторых случаях соединение осуществляется через сайлент-блок). Для такого соединения в корпусе механизма проделано продольное окно.

Более распространенный метод соединения тяг – жесткое, но подвижное соединение с концами рейки. Для обеспечения такого соединения на конце обеих тяг сделан шариковый наконечник. Посредством гайки этот шар прижимается к рейке. При передвижении последней тяга меняет свое положение, что и обеспечивает имеющееся соединение.

В приводах, где используется механизм «червяк-ролик», конструкция значительно сложнее и представляет собой целую систему рычагов и тяг, получивших называние рулевой трапеции. Так, к примеру, на ВАЗ-2101 привод состоит из двух боковых тяг, одной средней, маятникового рычага и поворотных кулаков с рычагами. При этом для обеспечения возможности изменения угла положения колеса поворотный кулак крепиться к рычагам подвески при помощи двух шаровых опор (верхней и нижней).

Большое количество составных элементов, а также соединений между ними делает такой тип привода более подверженным износу и возникновению люфтов. Этот факт - еще одна причина отказа от червячного механизма в пользу реечного.

«Обратная связь»

Стоит отметить, что в рулевом механизме существует еще и так называемая «обратная связь». Водитель не только воздействует на колеса, а посредством ее же получает информацию об особенностях движения колес по дороге. Проявляется это в виде вибраций, рывков, создания определенно направленных усилий на руле. Эта информация считается очень важной для правильной оценки поведения авто. Доказательством тому является тот факт, что в авто, оснащаемых ГУР и ЭУР, конструкторы сохранили «обратную связь».

Передовые разработки

Этот узел продолжают совершенствовать, так самыми последними достижениями являются системы:

• Активного (динамического) рулевого управления. Она позволяет изменять передаточное число механизма в зависимости от скорости автомобиля. Также выполняет и дополнительную функцию – корректировка угла передних колес в поворотах и при торможении на скользкой дороге.
• Адаптивного рулевого управления (управление по проводам). Это самая новая и перспективная система. В ней отсутствует прямая связь между рулем и колесами, всё работает за счёт датчиков и исполнительных устройств (сервоприводов). Большое распространение система ещё не получила по причине психологического и экономического факторов.

Система «рули по проводам»

Заключение

В целом механизм является достаточно надежным узлом, не требующим никакого обслуживания. Но при этом эксплуатация рулевого управления автомобиля подразумевает проведение своевременной диагностики для выявления неисправностей.

Конструкция этого узла состоит из множества элементов с подвижными соединениями. А где такие соединения есть, со временем из-за износа контактирующих элементов, в них появляются люфты, которые в значительной мере могут повлиять на управляемость авто.

Сложность диагностики рулевого управления зависит от его конструктивного исполнения. Так в узлах с механизмом «шестерня-рейка» соединений, которые необходимо проверять не так уж и много: наконечники, зацепление шестерни с рейкой, карданы рулевой колонки.

А вот с червячным механизмом из-за сложной конструкции привода точек диагностики значительно больше.

Что касается ремонтных работ при нарушении работоспособности узла, то наконечники при сильном износе просто заменяются. В рулевом механизме на начальном этапе люфт удается убрать регулировкой зацепления, а если это не помогло – переборкой узла с использованием ремкомплектов. Карданы колонки, как и наконечники – просто заменяются.

Autoleek

Рулевой механизм - часть рулевого управления, облегчающая управление автомобилем, благодаря значительному передаточному числу в редукторе. К конструкции рулевых механизмов предъявляют следующие требования:

• обеспечение заданного характера изменения передаточного числа рулевого механизма;
• высокий КПД при передаче усилия от рулевого колеса к сошке;
• способность рулевого механизма воспринимать усилия от управляемых колес к рулевому колесу, что необходимо для стабилизации управляемых колес.

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.

Существует несколько типов рулевого механизма Вам известно, что при повороте руля поворачиваются колеса автомобиля. Но между поворотом руля и поворотом колес происходят определенные действия.

В этой статье мы рассмотрим особенности двух наиболее распространенных типов рулевого механизма: реечный рулевой механизм и рулевой механизм с шариковой гайкой. Также мы расскажем о рулевом управлении с гидроусилителем и узнаем об интересных технологиях развития систем рулевого управления, позволяющих сократить расход топлива. Но, прежде всего, мы рассмотрим, как происходит поворот. Не все так просто, как может показаться.

Поворот автомобиля

Возможно, Вы удивитесь, узнав, что при повороте колеса на передней оси проходят по различной траектории.

Для обеспечения плавного поворота, каждое колесо должно описать разную окружность. В связи с тем, что внутреннее колесо описывает колесо меньшего радиуса, оно совершает более крутой поворот, чем внешнее. Если провести перпендикуляр к каждому колесу, линии будут пересекаться в центральной точке поворота. Геометрия поворота заставляет внутреннее колесо поворачиваться сильнее, чем внешнее.

Существует несколько типов рулевого механизма. Наиболее распространенными являются реечный рулевой механизм и рулевой механизм с шариковой гайкой.

Реечный рулевой механизм

Реечный рулевой механизм широко используется в легковых автомобилях, грузовиках малой грузоподъемности и внедорожниках. Фактически, этот механизм довольно прост. Реечные шестерни расположены в металлической трубке, с каждой стороны которой выступает рейка. Рулевой наконечник соединяется с каждой стороной рейки.

Ведущая шестерня сопряжена с валом рулевого механизма. Когда Вы поворачиваете руль, шестерня начинает вращаться и приводит рейку в движение. Рулевой наконечник на конце рейки соединяется с рулевой сошкой на шпинделе (см. рисунок).

Функции зубчатой рейки с шестерней заключаются в следующем:

• Она преобразует вращательное движение рулевого колеса в прямолинейное движение, необходимое для поворота колес.
• Она обеспечивает передаточное отношение для облегчения поворота колес.

Большинство автомобилей устроены так, что потребуется от трех до четырех полных оборотов руля, чтобы развернуть колеса от упора до упора.

Передаточное отношение рулевого механизма - это отношение градуса поворота руля к градусу поворота колес. Например, если один полный оборот руля (360 градусов) поворачивает колесо на 20 градусов, тогда передаточное отношение рулевого механизма составляет 18:1 (360 разделить на 20). Чем выше отношение, тем больше градус поворота руля. При этом, чем выше отношение, тем меньше усилий требуется приложить.

Как правило, у легких спортивных автомобилей передаточное отношение рулевого механизма ниже, чем у крупных автомобилей и грузовиков. При низком передаточном отношении у рулевого механизма более быстрый отклик, поэтому Вам не нужно с усилием крутить руль чтобы выполнить поворот. Чем меньше автомобиль, тем меньше его масса, и, даже при низком передаточном отношении, не требует прилагать дополнительное усилие для поворота.

Также существуют автомобили с переменным передаточным отношением рулевого механизма. В этом случае у зубчатой рейки с шестерней разный шаг зубьев (число зубьев на дюйм) в центре и по бокам. В результате, автомобиль реагирует на поворот руля быстрее (рейка расположена ближе к центру), а также снижается усилие при повороте руля до упора.

Реечный рулевой механизм с усилителем

При наличии реечного рулевого механизма с усилителем, рейка имеет немного другую конструкцию.
Часть рейки включает цилиндр с поршнем посередине. Поршень соединен с рейкой. С обеих сторон поршня имеются два отверстия. Подача жидкости под высоким давлением на одну из сторон поршня приводит поршень в движение, он поворачивает рейку, обеспечивая усиление рулевого механизма.

Рулевой механизм с шариковой гайкой

Рулевой механизм с шариковой гайкой можно встретить на многих грузовиках и внедорожниках. Данная система немного отличается от реечного механизма.

Рулевой механизм с шариковой гайкой включает червячную передачу. Условно червячную передачу можно разделить на две части. Первая часть представляет собой металлически блок с резьбовым отверстием. Данный блок имеет зубья с наружной стороны, которые сопрягаются с шестерней, которая приводит в движение рулевую сошку (см. рисунок). Рулевое колесо соединено с резьбовым стержнем, похожим на болт, установленным в резьбовое отверстие блока. Когда рулевое колесо вращается, болт поворачивается вместе с ним. Вместо того, чтобы вкручиваться в блок, как обычные болты, этот болт закреплен так, что, когда он вращается, он приводит в движение блок, который, в свою очередь, приводит в движение червячную передачу.


Болт не соприкасается резьбой с блоком, поскольку она заполнена шарикоподшипниками, циркулирующими по механизму. Шариковые подшипники используются для двух целей: Они снижают трение и износ передачи, а также снижают загрязнение механизма. Если в рулевом механизме не будет шариков, на какое-то время зубья не будут соприкасаться друг с другом и Вы почувствуете что руль потерял жесткость.

Гидроусилитель в рулевом механизме с шариковой гайкой функционирует точно так же, как и в реечном рулевом механизме. Усиление обеспечивается подачей жидкости под высоким давлением на одну из сторон блока.

Гидроусилитель руля

Помимо самого рулевого механизма, гидроусилитель включает несколько основных компонентов.

Насос

Пластинчатый насос снабжает рулевой механизм гидравлической энергией (см. рисунок). Двигатель приводит насос в действие при помощи ремня и шкива. Насос включает утапливаемые лопатки, вращающиеся в камере овальной формы.

При вращении лопатки выталкивают гидравлическую жидкость низкого давления из обратной магистрали в выпускное отверстие под высоким давлением. Сила потока зависит от количества оборотов двигателя автомобиля. Конструкция насоса обеспечивает необходимый напор даже на холостых оборотах. В результате, насос перемещает большее количество жидкости при работе двигателя на более высоких оборотах.

Насос имеет предохранительный клапан, обеспечивающий надлежащее давление, что особенно важно при высоких оборотах двигателя, когда подается большой объем жидкости.

Поворотный клапан

Гидроусилитель должен помогать водителю только при приложении силы к рулевому колесу (при повороте). При отсутствии усилия (например, при движении по прямой), система не должна обеспечивать помощь. Устройство, определяющее приложение силы к рулевому колесу, называется поворотный клапан.

Основным компонентом поворотного клапана является торсион. Торсион представляет собой тонкий металлический стержень, который поворачивается под действием крутящего момента. Верхний конец торсиона соединен с рулевым колесом, а нижний с шестерней или червячной передачей (которая поворачивает колеса), при этом крутящий момент торсиона равен крутящему моменту, прилагаемого водителем для поворота колес. Чем выше прилагаемый крутящий момент, тем больше поворот торсиона. Входная часть вала рулевого механизма формирует внутреннюю часть поворотного клапана. Также он соединен с верхней частью торсиона. Нижняя часть торсиона соединена с внешней частью поворотного клапана. Торсион также вращает шестерню рулевого механизма, соединяясь с ведущей шестерней или червячной передачей, в зависимости от типа рулевого механизма.

При повороте торсион вращает внутреннюю часть поворотного клапана, внешняя часть при этом остается неподвижной. В связи с тем, что внутренняя часть клапана также соединена с рулевым валом (и, следовательно, с рулевым колесом), количество оборотов внутренней части клапана зависит от крутящего момента, прилагаемого водителем.

Когда руль неподвижен, обе гидравлические трубки обеспечивают равное значение давления на шестерню. Но при повороте клапана каналы открываются для подачи жидкости под высоким давлением к соответствующей трубке.

Практика показала не самую высокую эффективность такого типа усилителя рулевого управления.

Инновационные усилители руля

В связи с тем, что насос рулевого механизма с гидроусилителем на большинстве автомобилей непрерывно перекачивает жидкость, он расходует мощность и топливо. Логично рассчитывать на ряд нововведений, которые позволят повысить экономию топлива. Одной из самых удачных идей является система с компьютерным управлением. Эта система полностью исключает механическую связь между рулевым колесом и рулевым механизмом, заменяя ее электронной системой управления.

Фактически руль работает так же, как руль для компьютерных игр. Руль будет оснащен датчиками для подачи автомобилю сигналов о направлении движения колес и моторами, обеспечивающими отклик на действия автомобиля. Выходные данные таких датчиков будут использоваться для управления рулевым механизмом с электроприводом. В этом случае устраняется необходимость наличия рулевого вала, что увеличивает свободное пространство в моторном отсеке.

General Motors представила концепт-кар Hy-wire, на котором уже установлена такая система. Отличительной особенностью такой системы с электронным управлением от GM является то, что Вы можете сами настроить управляемость автомобиля с помощью нового компьютерного программного обеспечения без замены механических компонентов. В автомобилях с электронным управлением будущего Вы сможете подстроить систему контроля под себя нажатием лишь нескольких кнопок. Все очень просто! За последние пятьдесят лет система рулевого управления не сильно изменились. Но в следующем десятилетии наступит эпоха более экономичных автомобилей

Даже на транспортных средствах, предназначенных для передвижения по рельсам, имеются рулевые устройства. Что же говорить про автомобиль, где рулевой механизм, учитывая необходимость практически постоянного маневра, возможное самое неожиданное и неадекватное состояние дороги, должен быть надежным и легко функциональным.

Назначение

Рулевой механизм на автомобиле представляет собой редуктор, с помощью которого небольшое усилие, приложенное водителем в кабине к баранке, увеличиваясь, передается на рулевой привод. На большегрузных автомобилях и последнее время на легковых для большего удобства управления, производители устанавливают гидроусилитель.

Исправно работающая система обязана отвечать ряду основных требований:

1. Передаточное число , которое определяет соотношение между углом поворота руля и колес, должно быть оптимальным. Недопустимо, чтобы для совершения поворота на 900 , рулевым колесом необходимо было проделать 2-3 оборота.
2. По завершении маневра, руль (баранка) должен произвольно возвращаться в нейтральное положение,
3. Допускается и предусмотрен небольшой люфт .

Классификация

В зависимости от класса автомобиля , его размеров, да и от прочих конструктивных решений конкретной модели, на сегодняшний день различают три основных типа:

• червячные;
• винтовые;
• шестеренчатые.

Рассмотрим по порядку.

Червячный

Первая схема – червячный рулевой механизм. Одна из наиболее распространенных схем – «глобоидальный червяк – ролик» – применяется в основном на автобусах и малолитражных грузовых автомобилях, на легковых автомобилях высокой проходимости и автомобилях с зависимой подвеской передних колес. Ставился он на отечественных «Жигулях» (ВАЗ 2105, 2107).


Червячный механизм хорошо переносит удары от дорожных неровностей и обеспечивает больший, чем реечный, угол поворота колес. Однако устройство этого типа довольно дорого в изготовлении и требует обязательной периодической регулировки.

Винтовой редуктор

Этот тип наиболее распространен на больших грузовых автомобилях и тяжелых автобусах. Ими также могут быть оснащены такие дорогие легковые автомобили, как «Рендж Ровер», «Мерседес» и другие. Наиболее распространенная схема выглядит так:

• винт;
• гайка (шариковая);
• рейка;
• зубчатый сектор.
• Винтовой редуктор может быть как со встроенным гидроусилителем, так и без него. Обладая теми же достоинствами, что и червячный, винтовой имеет больший КПД.

Шестеренчатый или реечный

Последний тип редуктора наиболее знаком массовому российскому автолюбителю. Он больше известен как реечный рулевой механизм из-за наличия в устройстве зубчатой горизонтальной рейки. Эта рейка посредством шестерни на валу рулевого колеса получает движение вправо или влево и через тяги поворачивает колеса. Устройство наиболее широко применяется в легковых машинах.


Устройство рулевого механизма реечного типа отличается простотой конструкции, малой массой и относительно низкой стоимостью в изготовлении. Реечный рулевой механизм включает в себя небольшое количество тяг и шарниров и при этом обладает достаточно высоким КПД. Благодаря повышенной жесткости, авто отлично слушается руля. Но по той же причине машина более чувствительна к дорожным неровностям.

Реечный рулевой механизм может устанавливаться на авто как с гидроусилителем руля , так и без такового. Однако в силу конструктивных особенностей его сложно монтировать на автомобили с зависимой передней подвеской. В силу этого область его применения ограничена лишь легковыми автомобилями с независимой подвеской передних управляемых колес.

Уход и профилактика рулевого механизма

Автомобиль – единый сложный организм. Продолжительность службы узлов и деталей в устройстве машины в целом и рулевого механизма в частности зависит от множества факторов. К ним относятся:

1. стиль вождения конкретного человека;
2. состояние автодорог;
3. своевременное прохождение ТО .

Всякий раз, загоняя машину на эстакаду или спускаясь в смотровую яму по любой причине, обратите внимание на состояние защитных резинок, рычагов и гаек рулевого механизма. Ничего не должно болтаться. Люфты в шарнирах привода легко проверить, покачивая колесо и вслушиваясь в работу сочлененных деталей.
Помните: профилактика – лучшее лечение.

Рулевое управление с гидроусилителем :
1 - рулевая сошка;
2 - продольная рулевая тяга;
3 - рулевой механизм;
4 - всасывающий шланг;
5 - сливной шланг;
6 - бачок;
7 - правая боковая рулевая тяга;
8 - правый маятниковый рычаг;
9 - поперечная рулевая тяга;
10 - входной вал рулевого механизма;
11 - нижний карданный шарнир;
12 - карданный вал;
13 - верхний карданный шарнир;
14 - вал рулевой колонки;
15 - рулевое колесо;
16 - левый маятниковый рычаг;
17, 21 - наконечники левой боковой тяги;
18 - хомут регулировочной трубки;
19 - левый рычаг рулевой трапеции;
20 - чехол шарнира;
22 - шарнир;
23 - нагнетательный шланг;
24 - насос гидроусилителя

Рулевое управление современных автомобилей с поворотными колесами включает в себя следующие элементы:
-рулевое колесо с рулевым валом (рулевой колонкой);
- рулевой механизм ;
- рулевой привод (может содержать усилитель и (или) амортизаторы).
Рулевое колесо находится в кабине водителя и расположено под таким углом к вертикали, который обеспечивает наиболее удобный охват его обода руками водителя. Чем больше диаметр рулевого колеса, тем при прочих равных условиях меньше усилия на ободе рулевого колеса, но при этом уменьшается возможность быстрого поворота руля при выполнении резких маневров. Диаметр рулевого колеса современных легковых автомобилей лежит впределах 380–425 мм, тяжелых грузовых и автобусов - 440–550 мм, наименьшие диаметры имеют рулевые колеса спортивныхавтомобилей.
Рулевой механизм представляет собой механический редуктор, его основная задача - увеличение приложенного к рулевому колесу усилия водителя, необходимого для поворота управляемых колес. Рулевые управления без рулевых механизмов, когда водитель непосредственно поворачивает управляемое колесо, сохранились лишь на очень легких транспортных средствах, например, на мотоциклах. Рулевой механизм имеет достаточно большое передаточное число, поэтому для поворота управляемых колес на максимальный угол 30–45°необходимо сделать несколько оборотов рулевого колеса.

Шарнирный рулевой вал грузового автомобиля

Рулевой вал соединяет рулевое колесо с рулевым механизмом и часто выполняется шарнирным, что позволяет более рационально компоновать элементы рулевого управления, а для грузовых автомобилей применять откидывающуюся кабину.
Кроме того, шарнирный рулевой вал повышает травмобезопасность рулевого колеса при авариях, уменьшая перемещение рулевого колеса внутрь салона и возможность травмирования грудной клетки водителя.

Рулевой вал со сминаемыми при ударе элементами :
1 - вал до удара;
2 - вал в процессе смятия;
3 - полностью «сложенный» вал;
4 - максимальный ход рулевого вала

С этой же целью в рулевой вал иногда встраивают сминаемые элементы, а рулевое колесо покрывают относительно мягким материалом, не дающим при разрушении острых осколков.

Рулевой привод представляет собой систему тяг и шарниров, связывающих рулевой механизм с управляемыми колесами. Поскольку рулевой механизм закреплен на несущей системе автомобиля, а управляемые колеса при движении перемещаются на подвеске вверх и вниз относительно несущей системы, рулевой привод обязан обеспечить необходимый угол поворота колес независимо от вертикальных перемещений подвески (согласованность кинематики рулевого привода и подвески). В связи с этим конструкция рулевого привода, а именно количество и расположение рулевых тяг и шарниров, зависит от типа применяемой подвески автомобиля. Наиболее сложным рулевой привод имеют автомобили с несколькими управляемыми мостами.
Для дополнительного уменьшения усилий, необходимых для поворота рулевого колеса, в рулевом приводе применяют усилители рулевого управления. Источником энергии для работы усилителя является, как правило, двигатель автомобиля. Первоначально усилители применялись лишь на тяжелых грузовых автомобилях и автобусах, в настоящее время используются и на легковых.
Для смягчения рывков и ударов, которые передаются на рулевое колесо при движении по неровной дороге, в рулевой привод иногда встраивают гасящие элементы - амортизаторы рулевого управления. Конструкция указанных амортизаторов принципиально не отличается от конструкции амортизаторов подвески.