4. Система управления

4.1. Рулевое управление

4.1.1. Общие сведения. Классификация

Рулевое управление состоит из рулевого механизма и рулевого привода. Иногда рулевое управление имеет рулевой усилитель. Рулевое управление – важнейшая часть автомобиля, определяющая его безопасность.

Основные требования к рулевому управлению:

- минимальный радиус поворота;

- лёгкость управления;

- повышенная надёжность.

Классификация рулевого управления приведена на схеме рис.81.

В большинстве случаев управление автомобилем осуществляет поворотом управляемых колёс одной оси. Иногда применяется управление колёс двух осей.

Рулевое колесо располагается справа или слева в зависимости от принятой в стране системы движения. Например. В Великобритании и Японии рулевое колесо устанавливается справа и движение в этих странах левостороннее.

Обычно управляемой делается передняя ось.

Рулевой механизм содержит рулевую пару (передачу), рулевой вал, рулевую колонку и рулевое колесо.

Рулевой механизм должен иметь высокий КПД в прямом направлении (от рулевого колеса), быть обратимым для возможности стабилизации управляемых колёс, иметь минимальный зазор в рулевой паре, травмобезопасность.

Классификация рулевых механизмов приведена на рис.82.

Рассмотрим кратко конструкции рулевых механизмов: шестерённого, червячного и кривошипного.

На рис.83 [14] показана конструкция шестерённого реечного рулевого механизма (механизм шестерня-рейка). На рис.83а показаны: 1 – рулевой вал, 2 – шестерня, 3 – рейка. 4 – упор.

В некоторых случаях применяются зубчатые, по большей части это механизм шестерня-рейка. Такие рулевые механизмы очень просты по устройству и находят широкое применение на легковых автомобилях.

Современные механизмы шестерня-рейка имеют переменное передаточное отношение d/d = var, где d - приращение угла поворота шестерни, d - приращение перемещения рейки (рис.83б). Общее передаточное число можно определить из геометрии рис.83в.

Червячный рулевой механизм показан на рис.84, где а) легковых автомобилей ГАЗ моделей М20, М21, М13, б) грузовых автомобилей ГАЗ-51, в) грузовых автомобилей ГАЗ-53 и ГАЗ-66; а и б – глобоидальный червяк и двухгребневой ролик, в - глобоидальный червяк и трёхгребневой ролик; 1,2 – элементы регулировки зазора.

Конструкция кривошипных рулевых механизмов приведена на рис.85, где а) одношиповой, б) двухшиповой, в) конструкция двухшипового механизма с шипами, установленными на подшипниках 1.

Кривошипные рулевые механизмы применяются редко, одношиповые до середины сороковых годов устанавливали на грузовых автомобилях ЗИС.

Рулевой привод состоит из рулевой трапеции, рычагов и тяг, связывающих рулевой механизм с рулевой трапецией.

Шарниры рулевых тяг показаны на рис.86, где 1,4 – пружина, 2 – палец, 3 – регулировочная гайка.

4.1.2. Рулевые усилители

Рулевые усилители служат для облегчения управления автомобилем. Усилители устанавливают на легковых автомобилях высокого класса, грузовых автомобилях средней и большой грузоподъёмности, на автобусах.

Рулевой усилитель содержит источник питания, распределительное устройство, исполнительное устройство. В наиболее распространённых гидро- и пневмоусилителях источники питания – это гидронасос и компрессор, исполнительное устройство – соответственно гидро- или пневмоцилиндр.

Основные требования, предъявляемые к рулевым усилителям:

- обеспечение следящего действия – пропорциональность между углом поворота рулевого колеса и углами поворота управляемых колёс;

- сохранение возможности рулевого управления при выходе из строя рулевого усилителя;

- минимальное влияние на стабилизацию управляемых колёс;

- максимальное быстродействие.

Применение гидроусилителя несколько снижает стабилизацию управляемых колёс, так как стабилизирующий момент на колёсах должен преодолевать сопротивление жидкости в гидросистеме.

Пневмоусилители применяются редко в настоящее время, ранее они применялись на грузовых автомобилях с пневматической тормозной системой. Основной недостаток пневмоусилителей – большое время срабатывания, в 5…10 раз больше, чем у гидроусилителей, а также большие размеры по причине низкого рабочего давления (0,6…0,8 МПа).

Классификация рулевых усилителей представлена схемой рис.87.

Рассмотрим принцип действия рулевого усилителя на примере гидроусилителя, показанного на рис.88, где 1 - гидронасос со сливным бачком, 4 – корпус распределителя, 3 – золотник, 12 – силовой гидроцилиндр, 13 – поршень, 2,16,15,25 – маслопроводы, 29 – рулевое колесо, 28 – рулевой механизм, 27в – штанга, 7 – рычаг поворотной цапфы, 21,30,24 – пояски золотника, 22,23,24 – окна, А и Б – камеры гидроцилиндра, 17, 19 – шайбы, 18 – центрирующая пружина, 14 – шарнир связи гидроцилиндра с рамой автомобиля, а,б – камеры, 10,11 – штанга и шток, 5 – каналы. 9 – колесо, 8 – рычаг.

Работа усилителя происходит следующим образом. При повороте рулевого колеса влево штанга 27 перемещает золотник вверх (по рис), сжимая центрирующую пружину. При этом камера б будет отключена от сливного маслопровода 25 и соединится с нагнетательным маслопроводом 2, камера а отключается от маслопровода 2 закрытым окном 24 и соединяется открытым окном 23 со сливным маслопроводом. Давление в камере б и полости Б растёт, поршень 13 смещается влево, жидкость из полости А будет вытесняться в сливной бачок через открытую камеру а.

Колесо поворачивается влево и через штангу обратной связи 6 корпус распределителя смещается вверх (по рис), перекрывая нагнетающую магистраль. Угол поворота колеса будет соответствовать углу поворота рулевого колеса.

Аналогично происходит работа усилителя при повороте рулевого колеса вправо, в этом случае золотник открывает нижние окна, жидкость поступает в левую полость А гидроцилиндра, колесо поворачивается вправо.

В рулевых управляющих без усилителей поворот управляемых колёс сопровождается ростом момента сопротивления, передаваемого на рулевое колесо, что создает у водителя «чувство дороги». В рулевом управлении с гидроусилителями также должен создаваться реактивный момент. Это обеспечивается с помощью реактивных камер 20 и 26 по краям корпуса распределителя. Эти камеры соединены с камерами а и б каналами 5, поэтому давление в реактивных камерах равно давлению в камерах а и б соответственно. Разница давлений в реактивных камерах при повороте создаёт осевую силу сопротивления на рулевом колесе, имитируя для водителя «чувство дороги».

Центрирующая пружина обеспечивает среднее положение золотника.

Рассмотрим в качестве примера рулевой механизм с гидроусилителем автомобиля ЗИЛ-130 (рис.89). Обозначения: 1 – нижняя крышка, 2 – картер рулевого механизма, 3 – поршень –рейка, 4 – винт, 5 – шариковая гайка. 6 – жёлоб, 7 – шарик, 8 – поршневое кольцо, 9 – промежуточная крышка, 10,14 – упорные подшипники, 11 – шариковый клапан, 12 – золотник, 13 – корпус распределителя, 15 – гайка, 16 – верхняя крышка, 17 – роликовый подшипник, 18 – боковая крышка. 19 – регулировочный винт, 20 – вал рулевой сошки, 21 – реактивный плунжер, 22 – центрирующая пружина. 23 – сошка.

Рулевой механизм объединён с гидроусилителем. Рулевой механизм типа винт - шариковая гайка - сектор. Винт может незначительно перемещаться в осевом направлении относительно поршня. Регулировка зазора в зубьях рейки и сектора вал рулевой сошки может перемещаться при вращении регулировочного винта. Картер рулевого механизма служит силовым цилиндром усилителя. Полости А и Б соединяются с ответствующими камерами распределителя. Золотник вместе с винтом может перемещаться от среднего положения на 1,1 мм в каждую сторону. На золотнике три пояска, а в корпусе распределителя - окна. Золотник образует в корпусе две камеры а и б. В шести каналах корпуса распределителя между промежуточной и верхней крышками находятся 12 реактивных плунжеров 21. Каждая пара плунжеров разжимается центрирующей пружиной 22.

Работа усилителя иллюстрируется рис.90, где а – среднее положение деталей распределителя при движении автомобиля по прямой, б – положение деталей при повороте направо, в – положение деталей при повороте налево. Обозначения деталей те же, что и на рис.89.

При прямолинейном движении золотник занимает среднее положение, между большими кольцами упорных подшипников и торцами корпуса распределителя устанавливается одинаковый зазор (Т/2). Масло от гидронасоса проходит через камеры а и б распределителя на слив.

При повороте направо винт 4 поворачивается в гайке. Возникает осевая сила, когда она станет больше силы, воспринимаемой реактивными плунжерами, золотник переместится в корпусе до упора большого кольца подшипника 10 в торец корпуса. Сила сжатия центрирующих пружин увеличится и будет передаваться на рулевое колесо.

Давление в полости А увеличится и будет передаваться на поршень, осуществляя поворот направо. Вместе с поршнем будет перемещаться золотник (обратная связь) до установки в среднее положение.

Аналогично работает усилитель при повороте налево – рис.90в.