Назначение рулевого управления

Рулевое управление — совокупность механизмов автомобиля, обеспечивающих его движение в заданном направлении.

Рулевое управление (рис.1) состоит из рулевого колеса, соединенного валом с рулевым механизмом, и рулевого привода. Иногда в рулевое управление включен усилитель.

Рис. 1. Рулевое управление автомобиля: 1 — поперечная тяга; 2 — левый рычаг рулевой трапеции; 3 — поворотный кулак; 4 — поворотный рычаг; 5 — продольная тяга; 6 — сошка; 7 — рулевой механизм; 8 — вал рулевого колеса; 9 — рулевое колесо; 10 — правый рычаг рулевой трапеции

Рулевым механизмом называют замедляющую передачу, преобразующую вращение вала рулевого колеса во вращение вала сошки. Этот механизм увеличивает прикладываемое к рулевому колесу усилие водителя и облегчает его работу.

Рулевым приводом называют систему тяг и рычагов, осуществляющую в совокупности с рулевым механизмом поворот автомобиля. В результате работы рулевого механизма продольная тяга перемещается сошкой вперед или назад, вызывая этим поворот одного колеса влево или вправо, а рулевая трапеция передает поворачивающий момент на другое колесо. Рулевая трапеция представляет собой шарнирный четырехзвенник, образуемый балкой переднего моста (или картером переднего ведущего моста), поперечной рулевой тягой 1, левым 2 и правым 10 рычагами рулевой трапеции. Последние соединены с поворотными кулаками, на которых насажены управляемые колеса.

Благодаря наличию рулевой трапеции управляемые колеса поворачиваются на разные углы: внутреннее (ближайшее к центру поворота) колесо на больший угол, чем внешнее, что обеспечивает качение колес при повороте без существенного скольжения. Разница в углах поворота определяется величиной угла наклона левого и правого рычагов рулевой трапеции.

Рулевой механизм

Рулевой механизм представляет собой или червячную, или винтовую, или кривошипную, или зубчатую передачи, или комбинацию таких передач. Большее распространение получил рулевой механизм в виде червячной передачи с червяком глобоидальной формы. К этому типу относят рулевые механизмы легковых и многих грузовых автомобилей семейства ГАЗ.

Рулевые механизмы с двухгребневым роликом на шарикоподшипниках имеют автомобили УАЗ-469. Рулевым механизмом с трехгребневым роликом снабжены грузовые автомобили ГАЗ-53А, ГАЗ-53-12 и ГАЗ-66. В рулевом механизме автомобиля ГАЗ-53 А (рис.2) рулевое колесо закреплено на верхнем конце вала 10. На противоположном конце вала на шлицы напрессован глобоидальный червяк 13, опирающийся на конические роликоподшипники 12 и 21. В зацеплении с червяком находится трехгребневой ролик 16, посаженный на двух шарикоподшипниках 15 и 20, между которыми помещена распорная втулка 17. Ось 14 ролика закреплена в вильчатом кривошипе 18 вала 7 сошки 8. Картер 19 рулевого механизма прикреплен болтами к левому лонжерону рамы. На верхнем конце рулевого вала расположена кнопка сигнала, провод от которой проходит внутри рулевого вала в трубке 11. Между трубкой и валом установлен сальник 22, поджимаемый пружиной 23. Вал 7 сошки уплотнен сальником 6. Сошка на конических шлицах вала укреплена гайкой 9. Вал имеет сдвоенные шлицы, обеспечивающие правильность установки сошки под необходимым углом. На картере рулевого механизма сделаны выступы, служащие упорами для ролика при поворотах сошки из среднего положения в крайние на угол 45°.

Рис. 2. Рулевой механизм автомобиля ГАЗ-53А: 1 — стопорная шайба; 2 — хвостовик вала сошки; 3 — винт; 4 и 9 — гайки; 5 — штифт; 6 и22 — сальники; 7 — вал сошки; 8 — сошка; 10 — вал; 11 — трубка; 12, 15, 20 и 21 — подшипники; 13 — глобоидальный червяк; 14 — ось ролика; 16 — ролик; 17 — распорная втулка; 18 — кривошип; 19 — картер; 23 - пружина; 24 – прокладка

Осевой зазор подшипников 12 и 21 регулируют изменением числа прокладок 24 под крышкой картера. Зацепление червяка и ролика регулируют, не разбирая рулевой механизм, винтом 3, в паз которого входит хвостовик 2 вала сошки. Оси ролика и червяка лежат в разных плоскостях, поэтому для уменьшения зазора в зацеплении достаточно переместить вал сошки в сторону червяка, ввертывая винт 3. Для фиксирования регулировочного винта служат стопорная шайба 1, штифт 5 и навернутая на винт гайка 4. Аналогичное устройство имеет рулевой механизм автомобиля ГАЗ-24 «Волга».

Другим распространенным типом рулевого механизма является винтовая передача с циркулирующими шариками и зубчатым зацеплением.

Комбинированный рулевой механизм автомобиля МАЗ-5335 (рис.3) представляет собой винт 12, который проходит внутри гайки-рейки 6, находящейся в зацеплении с зубчатым сектором 7. В винтовые канавки между гайкой-рейкой б и винтом 12 при сборке заложено два ряда шариков. Движение шариков в винтовых канавках ограничено направляющими 13 и 15. Высокая точность деталей механизма обеспечивает легкое и плавное вращение винта в гайке-рейке.

Рис. 3. Рулевой механизм автомобиля МАЗ-5335: 1 — сошка; 2 и 17 — сальники; 3 — упорное кольцо; 4 — подшипник вала сектора; 5 — картер; 6 — гайка-рейка; 7 — зубчатый сектор; 8 — регулировочные прокладки; 9 — болт крепления крышки; 10 — нижняя крышка; 11 — подшипник винта; 12 — винт; 13 и 15 — направляющие шариков; 14 — шарики; 16 — пробка отверстия для заливки масла; 18 — опорная пластина; 19 — гайка регулировочного винта; 20 — боковая крышка картера; 21 — контргайка; 22 — регулировочный винт

Сектор 7 рулевого механизма, изготовленный как одно целое с валом сошки, установлен на игольчатых подшипниках 4. Зубья сектора выполнены с переменной по длине толщиной, что позволяет регулировать зазор в зацеплении с рейкой, перемещая в осевом направлении сектор регулировочным винтом 22. Винт в сборе с валом сектора ввертывают в боковую крышку 20 картера и крепят контргайкой 21. Регулировочный винт упирается в опорную пластину 18 и удерживается гайкой 19. Контргайка 21 фиксирует положение винта после регулировки.

Для правильной установки сошки на торце вала сектора нанесена метка, которую при сборке совмещают с меткой на сошке. Винт 12 вращается в двух роликоподшипниках 11 и соединяется с рулевым валом карданным шарниром. Привод рулевого управления снабжен гидроусилителем 2 (рис.4). Картер рулевого механизма закрыт крышками 10 и 20 (см. рис.3) и уплотнен резиновыми сальниками 2 и 17. Отверстие для заливки масла закрыто пробкой 16.

Рулевое управление автомобиля ЗИЛ-130 (рис.5) включает рулевой механизм 10 с гидроусилителем рулевого привода, масло к которому подается насосом 1. Движение от рулевого колеса к рулевому механизму передается через два карданных шарнира 8, карданный вал 9 и вал рулевого колеса, проходящего внутри рулевой колонки 5.

У рулевого механизма автомобиля ЗИЛ-130 (рис.6) поршень-рейка 5 одновременно является поршнем гидроусилителя и рейкой рулевого механизма, которая находится в зацеплении с зубчатым сектором 29 вала 37 рулевой сошки. Водитель с помощью рулевого колеса через вал и карданную передачу вращает винт 7, по которому на циркулирующих шариках 10 перемещается шариковая гайка 8. Вместе с гайкой вдоль винта перемещается поршень-рейка 5, поворачивающая зубчатый сектор 29 вала сошки. Зазор в зацеплении зубьев рейки и сектора можно регулировать, смещая в осевом направлении вал сошки, так как зубья имеют переменную по длине толщину. В картер 4 рулевого механизма и в отверстие его боковой крышки 30 запрессованы бронзовые втулки 39, в которых вращается вал сошки.

Рис.5 Рулевое управление автомобиля ЗИЛ-130: 1 – насос гидроусилителя; 2 – бачок насоса; 3 – шланг низкого давления; 4 – шланг высокого давления; 5 – колонка; 6 – контактное устройство сигнала; 7 – переключатель указателей поворота; 8 – карданный шарнир; 9 – карданный вал; 10 – рулевой механизм; 11 – сошка.

Рис.6

Рулевой механизм автомобиляЗИЛ-130:

1 — нижняя крышка; 2, 14, 27, 31 и 35 — уплотнительные резиновые кольца;

5 —заглушка; 4 — картер рулевого механизма; 5 — поршень-рейка;

6 — разрезное кольцо; 7 — винт рулевого механизма; 8 — шариковая гайка;

9 — желоб; 10 — шарик;

11 — уплотнительное чугунное разрезное кольцо поршня;

12 — промежуточная крышка; 13 — упорный шарикоподшипник;

15 — шариковый клапан;

16 — золотник; 17 — корпус клапана управления; 18 — пружинная шайба;

19 — регулировочная гайка; 20 — верхняя крышка; 21 — игольчатый подшипник;

22 и 41 — упорные кольца сальника; 23 и 42 — замочные кольца;

24 и 40 — сальники; 25 — реактивная пружина;

26 — реактивный плунжер; 28 — установочный винт; 29 — сектор;

30 — боковая крышка; 32 — упорная шайба; 33 — регулировочная шайба;

34 — стопорное кольцо; -?6 — регулировочный винт; 37— вал сошки;

38 — сливная пробка с магнитом; 39 — втулка вала сошки; 43 — сошка

При сборке рулевого механизма вначале в винтовые канавки шариковой гайки 8 и винта 7, в желоба 9 закладывают шарики 10, а затем гайку закрепляют установочными винтами 28, которые раскернивают. Шарики, выкатывающиеся при повороте винта с одного конца гайки, возвращаются к другому ее концу по двум штампованным желобам 9, вставленным в отверстия паза винтовой канавки шариковой гайки 8.

Картер рулевого механизма снизу закрыт крышкой 1. Неподвижные соединения рулевого механизма уплотнены резиновыми кольцами 2, 14, 27 и 31. Резиновый сальник 40, защищенный упорным кольцом 41, уплотняет вал сошки. Винт 7 уплотнен в промежуточной крышке 72 и в поршне-рейке 5, а последний в картере 4 чугунными разрезными кольцами 11. Для уплотнения винта в верхней крышке установлен резиновый сальник 24 с упорным 22 и замочным 23 кольцами. Металлические частицы, попадающие в масло, залитое в картер рулевого механизма, улавливаются магнитом пробки 38.

Общий вид рулевого управления автомобиля КамАЗ-5320 представлен на рис.7. Рулевой механизм автомобиля КамАЗ-5320 (рис.7) включает угловой редуктор, ведущее 3 и ведомое 4 конические зубчатые колеса которого передают вращение на винт 15, перемещающий гайку 16 и скрепленную с ней поршень-рейку 13, зубья которой входят в зацепление с зубчатым сектором 19 вала рулевой сошки.

К корпусу 23 углового редуктора прикреплен корпус 2 клапана управления. Картер рулевого механизма одновременно является корпусом гидроусилителя.

Травмобезопасный рулевой механизм является одним из элементов пассивной безопасности автомобиля. Рулевой механизм может быть причиной серьезной травмы водителя при лобовом столкновении автомобиля с препятствием. Травма может быть нанесена при смятии передней части автомобиля, когда весь рулевой механизм перемещается в сторону водителя, Поэтому картер рулевого механизма необходимо располагать в таком месте, где деформация при лобовом столкновении будет наименьшей.

Водитель может получить травму также при резком перемещении вперед в результате лобового столкновения. Ремни безопасности при слабом их натяжении не предохраняют от столкновения с рулевым колесом или рулевым валом, когда перемещение вперед составляет 300—400 мм. Для пассажиров такое перемещение обычно не приводит к опасным последствиям.

По статистике лобовые столкновения автомобилей составляют свыше 50% всех дорожно-транспортных происшествий. Вследствие этого как международные, так и национальные правила предписывают установку на автомобилях травмобезопасных рулевых механизмов.

Существуют некоторые нормативы для испытания травмобезопасных рулевых механизмов. Так, при лобовом ударе (удар о бетонныйкуб) при движении со скоростью 14 м/с (- 50 км/ч) верхний конец рулевого вала не должен перемещаться внутрь салона (кабины) в горизонтальном направлении более чем на 127мм. На специальном манекене регистрируется усилие в горизонтальном направлении на уровне груди манекена при скорости 5,5 м/с (- 24 км/ч). Это усилие не должно превышать 11,34кН.

Существуют травмобезопасные рулевые механизмы различных конструкций. Основное требование к ним — поглощение энергии удара, а, следовательно, снижение усилия, наносящего травму водителю.

Первоначально для придания рулевым механизмам травмобезопасных свойств устанавливали рулевое колесо с утопленной ступицей и двумя спицами, что позволило значительно снизить тяжесть наносимых повреждений при ударе. В дальнейшем, кроме этого, стали устанавливать специальный энергопоглощающий элемент.

Рис.8 Рулевой механизм автомобиля КамАЗ-5320: 1 — реактивный плунжер; 2 — корпус клапана управления; 3 — ведущее зубчатое колесо; 4 — ведомое зубчатое колесо: 5, 22 и 29 — стопорные кольца; 6 — втулка: 7 и 31 — упорные кольца; 8 — уплотнителъное кольцо; 9 и 15 — винты; 10 — перепускной клапан; 11 и 28 — крышки; 12 — картер; 13 - поршень-рейха; 14 - пробка: 16 и 20 - гайки; 17 - желоб; 18 - шарик: 19 — сектор; 21 — стопорная шайба; 23 - корпус; 24 — упорный подшипник; 25 — плунжер; 26 – золотник; 27 - регулировочный винт; 30 - регулировочная шайба; 32 – зубчатый сектор вала сошка.

В рулевой колонке автомобиля ВАЗ-2121 (рис.8)рулевой вал состоит из трех частей, связанных карданными шарнирами. При лобовом столкновении, когда передняя часть автомобиля деформируется, рулевой вал складывается, при этом перемещение верхней части рулевого механизма внутрь салона незначительно. Перемещение рулевого механизма сопровождается некоторым поглощением энергии удара на деформацию кронштейна крепления рулевого вала. Особенность Крепления кронштейна заключается в том, что два из четырех болтов 1 (передние) крепят кронштейн через пластинчатые шайбы, которые при ударе деформируются и проваливаются через прямоугольные отверстия кронштейна, а сам кронштейн деформируется, поворачиваясь относительно фиксированных точек крепления.

На автомобиле ГАЗ-3102 энергопоглощающий элемент травмобезопасной рулевой колонки (рис.9) представляет собой резиновую муфту, установленную между верхней и нижней частями рулевого вала.

Рис.9 Травмобезопасные рулевые колонки а – автомобиля ВАЗ-2121; 1– болт; б– автомобиля ГАЗ-3102; 1– фланец; 2 – предохранительная пластина; 3 – резиновая муфта; в – с энергопоглащающим сильфоном; г – с перфорированным трубчатым рулевым валом.

В ряде зарубежных конструкций энергопоглощающим элементом рулевой колонки служит сильфон 1, соединяющий рулевое колесо с рулевым валом (рис.9), или сам рулевой вал, в верхней части представляющий собой перфорированную трубу 1 (рис.9). На рисунке показаны последовательно фазы деформации перфорированной трубы и максимальная деформация, которая для этой конструкции значительна.

Некоторое применение нашли энергопоглощающие элементы рулевых колонок, в которых две части рулевого вала соединяются при помощи нескольких продольных пластин, привариваемых к концам соединяемых валов и деформирующихся при ударе. Такое энергопоглощающее устройство носит название "японский фонарик".

Серийные модели автомобилей "Ауди" оборудованы системой безопасности, называемой Рrocon-ten (Рrocon — Рrogrammed Contraction — запрограммированное складывание рулевой колонки при несчастном случае; ten — Теnsion — натяжение, автоматическое напряжение передних ремней безопасности). При наличии системы Рrocon-ten в верхней части рулевой колонки закреплен необслуживаемый трос из нержавеющей стали, его нижняя часть проложена вокруг коробки и закреплена в кузове. В случае сильного фронтального удара двигатель с коробкой смешивается относительно кузова назад. Благодаря этому трос оттягивает рулевое колесо вниз и выводит его из области возможного контакта с водителем. Одновременно срабатывает ten - система, натягивая ремни безопасности.

Рулевой привод

Рис.10 Рулевой привод: а– задняя цельная трапеция; б – передняя расчлененная трапеция; 1 – рулевой механизм; 2 – сошка; 3 – продольная тяга; 4 – рычаг рулевой трапеции; 5 – поперечная тяга; 6 – поворотный кулак; 7 – поворотный рычаг; 8 – стойка; 9 и 11 – боковые тяги; 10 – маятниковый рычаг; 12 – средняя тяга.

Рулевой привод (рис.10) включает сошку 2, продольную тягу 3, поворотный рычаг 7, левый и правый поворотные кулаки 6 и детали рулевой трапеции. Рулевая трапеция может быть задней или передней, т. е. с поперечной рулевой тягой, расположенной сзади переднего моста или перед ним.

Различают цельную (единую), (рис. 10,а) трапецию, применяемую при зависимой подвеске колес, и расчлененную (рис. 10,б), используемую при независимой подвеске. Сошка может качаться по дуге окружности, расположенной в плоскости, параллельной продольной оси автомобиля, или в плоскости, параллельной переднему мосту. В последнем случае продольная тяга отсутствует, а сила от сошки передается через поперечные рулевые тяги поворотным кулакам. Типичным во всех случаях является крепление сошки на валу при помощи конуса, треугольных шлицев и гайки.

При движении автомобиля по неровной дороге на детали рулевого привода (сошку, продольную и поперечную рулевые тяги, рулевые рычаги) действуют большие нагрузки. В связи с этим в рулевой привод вводят пружины для смягчения толчков и устройства для автоматического устранения зазоров, возникающих при изнашивании деталей. Поперечная рулевая тяга представляет собой трубку с левой резьбой на одном конце и правой на другом для навинчивания наконечников крепления шаровых шарниров. Вследствие этого можно изменять расстояние между шарнирами при регулировании схождения управляемых колес.

На автомобиле ГАЗ-53А применены унифицированные шарнирные устройства в наконечниках продольных и поперечных рулевых тяг (рис.11,а).

В продольной тяге в наконечники 6, приваренные к трубе 7, установлены сменные вкладыши 14, сухарь 13 и полусферический палец 12, опирающийся на пяту 2. Пяту поджимает коническая пружина 3, опорой которой служит крышка 4, закрепляемая стопорным кольцом 5.

С другой стороны наконечника на палец шарнира с небольшим натягом надет резиновый колпак 10, закрепленный обоймой 9 на наконечнике. Стальное кольцо 11, завулканизированное в колпак, обеспечивает его уплотнение при старении резины. Через масленку 1 смазывают шарнир. У поперечной тяги наконечники 15 левой и правой резьбой соединены с трубой 17, имеющей на концах соответствующую резьбу и продольные разрезы. После соединения с наконечниками концы трубчатой тяги, имеющие продольные разрезы, стягивают хомутами 16, причем болты крепления хомутов располагают со стороны прорезей.

Один из сухарей 19 (рис.11,б) шарнирного соединения шарового пальца с продольной рулевой тягой автомобиля ЗИЛ-130 представляет собой жесткую опору, а другой опирается на пружину 20 с ограничителем 21. Внешний сухарь прижат к шаровому шарниру резьбовой пробкой 18. Пружины в наконечниках продольной рулевой тяги поставлены так, чтобы смягчались удары, передающиеся через тягу в обе стороны. Шарнирное соединение продольной и поперечной тяг автомобиля МАЗ-5335 показано на рис.11,в

Рис. 11. Шарнирное соединение деталей рулевого привода автомобилей: а - ГАЗ-53А; б - ЗИЛ-130; в - МАЗ-5335; 1 — масленка; 2 — пята; 3 — коническая пружина; 4 — крышка; 5 — стопорное кольцо; 6 и 15 — наконечники; 7 и 17 — трубы; 8 — резиновое кольцо; 9 —обойма; 10 — резиновый колпак; 11 — кольцо; 12 — полусферический палец; 13 и 19 — сухари; 14 — сменный вкладыш; 16 — хомут: 18 — пробка; 20 — пружина; 21 — ограничитель

Рис. 12. Рулевые тяги автомобиля ГАЗ-24 «Волга»: 1 — шплинт; 2 —резьбовая пробка; 3 — пружина; 4 — опорная пята; 5 — корпус шарнира; 6 и 10 — резиновые уплотнители; 7 — распорная втулка наконечника; 8 — гайка; 9 — распорная втулка тяги; 11 — шаровой палец; 12 – корпус шарнира; 13 — полиэтиленовый сухарь; /4 — маятниковый рычаг; 15 — втулка из порошкового материала; 16 — резиновая втулка рычага; 17 — поперечная тяга; 18 — боковая тяга; 19 — сошка; 20 — болт 21 — стяжной хомут; 22 — регулировочная трубка; 23 — наконечник тяги; 24 — рычаг поворотного кулака

При независимой подвеске управляемых колес соединение их поворотных кулаков жесткой поперечной тягой нарушило бы возможность независимого перемещения колес; поэтому поперечная рулевая тяга выполнена из двух или трех шарнирно связанных частей, позволяющих колесам перемещаться независимо одно от другого.

У автомобиля ГАЗ-24 «Волга» задняя рулевая трапеция расчленена (рис.12) и состоит из боковых тяг 18, поперечной тяги 17, сошки 19, маятникового рычага 14 и рычагов 24 поворотных кулаков. Размеры боковых тяг регулируют при помощи регулировочных трубок 22. Трубка 22 имеет продольный разрез, и после регулировки ее зажимают с двух сторон хомутами 21 при помощи болтов 20. Шарниры тяг с полусферическими пальцами саморегулирующиеся, разборные. Смазочный материал закладывают при сборке на заводе, и регулярного пополнения его не требуется.

Ввиду большой нагрузки на детали рулевого механизма и рулевого привода они подвергаются значительному изнашиванию, что может повлечь за собой появление зазоров в шарнирных соединениях и увеличение свободного хода рулевого колеса, который не должен превышать 25°.