Типы рулевого управления автомобиля
Рулевое управление автомобиля
Знаете, как называется рулевое колесо у гоночного болида? Штурвал! А в наших автомобилях всего то – руль… Чувствуете разницу? Но оставим Шумахеру шумахерово, и поговорим что же такое рулевое управление, или рулевой механизм.
Система рулевого управления служит для управления автомобилем и обеспечения его движения в заданном направлении по команде водителя. Система включает в себя рулевой механизм и рулевой привод. Что бы представить себе работу рулевых механизмов разных поколений, я разделю объяснение на три части, именно столько их насчитывается в автомобилестроении.
Червячный рулевой механизм
Свое название получил из-за системы привода рулевой колонки, а именно червячной шестерни. В состав рулевой системы входят:
• Руль (думается объяснять не надо?)
• Рулевой вал с крестовиной, представляет собой металлический стержень, у которого с одной стороны расположены шлицы для фиксации руля, а с другой внутренние шлицы для крепления к рулевой колонке. Полная фиксация производится стяжной муфтой, которая обжимает место стыка вала и «червяка» привода колонки. В месте изгиба вала устанавливается кардан, при помощи которого передается боковое усилие вращения.
• Рулевая колонка, устройство, собранное в одном литом корпусе, в состав которой входят червячная ведущая шестерня и ведомая. Ведомая шестерня соединена жестко с рулевой сошкой.
• Рулевые тяги, наконечники и «маятник», совокупность этих деталей соединённых между собой при помощи шаровых и резьбовых соединений.
Работа рулевого механизма выглядит следующим образом: при вращении рулевого колеса, усилие вращения передается на червячный механизм колонки, «червяк» вращает ведомую шестерню, которая в свою очередь приводит в действие рулевую сошку. Сошка соединена со средней рулевой тягой, второй конец тяги крепится к маятниковому рычагу. Рычаг устанавливается на опоре и жестко крепится к кузову автомобиля. От сошки и «маятника» отходят боковые тяги, которые при помощи обжимных муфт соединены с рулевыми наконечниками. Наконечники соединяются со ступицей. Рулевая сошка, поворачиваясь, передает усилие одновременно на боковую тягу и на средний рычаг. Средний рычаг приводит в действие вторую боковую тягу и ступицы поворачиваются, соответственно колеса тоже.
Такая система была распространена на старых моделях «Жигулей» и «BMW».
Реечный рулевой механизм
Самая распространенная система в настоящее время.
Основные узлы это:
• Рулевое колесо (руль)
• Рулевой вал (то же что и в червячном механизме)
• Рулевая рейка – это узел, состоящий из зубчатой рейки, в движение которую приводит рулевая шестерня. Собранная в одном корпусе, чаще из легкого сплава, крепится непосредственно к кузову авто. На концах зубчатой рейки изготовлены резьбовые отверстия для крепления рулевых тяг.
• Рулевые тяги представляют собой металлический стержень, с одного конца у которого резьба, а со второй, шарнирное шаровое устройство с резьбой.
• Рулевой наконечник, это корпус с шаровым шарниром и внутренней резьбой, для вкручивания рулевой тяги.
При вращении рулевого колеса, усилие передается на шестерню, которая приводит в действие рулевую рейку. Рейка «выезжает» из корпуса влево или вправо. Усилие передается на рулевой рычаг с наконечником. Наконечник вставлен в ступицу, которую и поворачивает в дальнейшем.
Для уменьшения усилия водителя при вращении рулевого колеса, в реечное рулевое устройство были введены усилители руля, на них остановимся более подробно
Усилитель руля является вспомогательным устройством для вращения рулевого колеса. Различают несколько типов усилителей руля. Это гидроусилитель, гидроэлектроусилитель, электроусилитель и пневмоусилитель.
1. Гидроусилитель состоит из гидравлического насоса, в действие который приводит двигатель, системы шлангов высокого давления, и бачка для жидкости. Корпус рейки выполнен герметически, так как в нем находится жидкость гидроусилителя. Принцип действия гидроусилителя следующий: насос нагнетает давление в системе, но если руль стоит на месте, то насос просто создает циркуляцию жидкости. Стоит только водителю начать поворачивать руль, как перекрывается циркуляция, и жидкость начинает давить на рейку, «помогая» водителю. Давление направлено в ту сторону, в которую вращается «баранка».
2. В гидроэлектроусилителе система точно такая же, только насос вращает электромотор.
3. В электроусилителе применяется так же электромотор, но соединяется он непосредственно с рейкой или с рулевым валом. Управляется электронным блоком управления. Электроусилитель еще называют адаптивным усилителем из-за возможности прикладывания разного усилия к вращению рулевого колеса, в зависимости от скорости движения. Известная система Servotronic.
4. Пневмоусилитель это близкая «родня» гидроусилителя, только жидкость заменена на сжатый воздух.
Активная рулевая система
Самая «продвинутая» система управления в настоящее время, в состав входит:
• Рулевая рейка с планетарным механизмом и электродвигателем
• Блок электронного управления
• Рулевые тяги, наконечники
• Рулевое колесо (ну а как же без него?)
Принцип работы рулевой системы чем-то напоминает работу АКПП. При вращении рулевого колеса, вращается планетарный механизм, который и приводит в действие рейку, но вот только передаточное число всегда разное, в зависимости от скорости движения автомобиля. Дело в том, что солнечную шестерню снаружи вращает электродвигатель, поэтому в зависимости от скорости вращения изменяется передаточное число. На небольшой скорости коэффициент передачи составляет единицу. Но при большем разгоне, когда малейшее движение руля может привести к негативным последствиям, включается электромотор, вращает солнечную шестерню, соответственно необходимо руль довернуть больше при повороте. На маленькой скорости автомобиля электродвигатель вращается в обратную сторону, создавая более комфортное управление.
Весь остальной процесс выглядит, как и у простой реечной системы.
Ничего не забыли? Забыли, конечно! Забыли еще одну систему – винтовую. Правда, эта система больше похожа на червячный механизм. Итак – на валу проточена винтовая резьба, по которой «ползает» своеобразная гайка, представляет собой зубчатую рейку с резьбой внутри. Зубья рейки приводят в действие рулевой сектор, в свою очередь он предает движение сошке, ну а дальше как в червячной системе. Для уменьшения трения, внутри «гайки» расположены шарики, которые «циркулируют» во время вращения.
Устройство, виды и принцип работы рулевого механизма
Основой рулевого управления любого автомобиля является рулевой механизм. Он предназначен для преобразования вращательных движений рулевого колеса в возвратно-поступательные движения рулевого привода. Другими словами, данное устройство превращает повороты руля в нужные перемещения тяг и поворот управляемых колес. Основным параметром механизма является передаточное число. А само устройство, по сути, представляет собой редуктор, т.е. механическую передачу.
Функции механизма
Основными функциями устройства являются:
Типы рулевых механизмов
Устройство рулевого механизма различается в зависимости от способа преобразования крутящего момента. По этому параметру выделяют червячный и реечный виды механизмов. Существует еще винтовой тип, принцип работы которого схож с червячной передачей, но он имеет больший КПД и реализует большее усилие.
Червячный рулевой механизм: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки
Этот рулевой механизм является одним из «устаревших» устройств. Им оснащены практически все модели отечественной «классики». Механизм применяется на автомобилях с повышенной проходимостью с зависимой подвеской управляемых колес, а также в легких грузовых автомобилях и автобусах.
Конструктивно устройство состоит из следующих элементов:
Пара «червяк-ролик» находится в постоянном зацеплении. Глобоидальный червяк представляет собой нижнюю часть рулевого вала, а ролик закреплен на валу сошки. При вращении руля ролик перемещается по зубьям червяка, благодаря чему вал рулевой сошки также поворачивается. Результатом такого взаимодействия является передача поступательных движений на привод и колеса.
Рулевой механизм червячного типа имеет следующие преимущества:
Изготовление конструкции достаточно сложное и дорогое – в этом главный ее минус. Рулевое управление с таким механизмом состоит из множества соединений, периодическая регулировка которых просто необходима. В противном случае придется заменять поврежденные элементы.
Реечный рулевой механизм: устройство, принцип работы, преимущества и недостатки
Рулевой механизм реечного типа считается более современным и удобным. В отличие от предыдущего узла, это устройство применимо на транспортных средствах с независимой подвеской управляемых колес.
В реечный рулевой механизм входят следующие элементы:
Шестерня устанавливается на рулевом валу и находится в постоянном зацеплении с рейкой. В процессе вращения рулевого колеса рейка перемещается в горизонтальной плоскости. В результате соединенные с ней тяги рулевого привода также перемещаются и приводят в движение управляемые колеса.
Механизм «шестерня-рейка» отличается простотой конструкции и высоким КПД. К ее преимуществам также можно отнести:
С другой стороны, редуктор этого типа чувствителен к ударам от неровностей дороги – любой толчок от колес передастся на руль.
Винтовой редуктор
Особенностью этого механизма является соединение с помощью шариков винта и гайки. За счет чего наблюдается меньшее трение и износ элементов. Механизм состоит из следующих элементов:
Винтовой рулевой механизм применяется в автобусах, тяжелых грузовых автомобилях и в некоторых легковых автомобилях представительского класса.
Регулировка устройства
Регулировка рулевого механизма применяется для компенсации зазоров в механизмах «червяк-ролик» и «шестерня-рейка». В процессе эксплуатации в данных механизмах может появиться люфт, который может привести к быстрому износу элементов. Регулировать рулевой механизм необходимо только в соответствии с рекомендациями производителя и на специализированных СТО. Избыточное “зажатие” механизма может привести к его заклиниванию при повороте руля в крайние положения, что чревато потерей управления автомобилем с соответствующими последствиями.
Конструкция и типы рулевого управления авто
Рулевое управление автомобиля – совокупность узлов и механизмов,которые позволяют изменять направление движения авто путем принудительного поворота колес передней оси в нужную сторону (кинематический тип управления). Относится эта составляющая к системам управления авто, и от нее напрямую зависит безопасность движения.
На технике помимо кинематического типа рулевого управления (за счет поворот колес управляемой оси) используется силовой тип (за счет притормаживания нужных колес или «перелома» рамы). Второй тип нашел распространение только на спец. технике. На автомобилях же используется исключительно кинематический тип рулевого управления. Хотя в современных автомобилях силовой тип может использоваться как вспомогательный — система курсовой устойчивости «подруливает» авто путем притормаживания колес, обеспечивая более уверенный вход авто в поворот.
Конструкция рулевого управления автомобиля
Рулевое управление автомобиля состоит из трех компонентов:
За счет взаимодействия этих компонентов между собой осуществляется передача действий водителя на колеса управляемой оси, что и обеспечивает их поворот.
Дополнительно в конструкцию авто входит вспомогательный механизм – усилитель рулевого управления, частично компенсирующий усилие водителя,тем самым упрощая управление машиной.
Колонка
Рулевая колонка представляет собой вал, посредством которого усилие водителя передается на механизм. Один конец этого вала заведен в салон, и на него посажен руль (шлицевым соединением), посредством которого водитель и осуществляет действия для изменения направления движения (вращает его).
В современных авто рулевой вал является составным – состоящим из нескольких частей, соединенных между собой карданными шарнирами. Достоинства этой конструкции:
Вал рулевой колонки пустотелый, что позволяет протянуть внутри него проводку для питания элементов – клавиши звукового сигнала, пиропатрона подушки безопасности, системы подогрева рулевого колеса.
На колонку устанавливается ряд органов управления оборудованием авто:
Расположение указанных элементов на рулевой колонке обеспечивает удобный доступ к ним водителю.
Механизм
Рулевой механизм червячного типа
Рулевой механизм ключевой в системе. Этот узел обеспечивает увеличение усилия, приложенного водителем к рулю, и передачу его на привод.
Чаще всего используется рулевой механизм двух видов: червячный и реечный.
В червячном рулевом механизме основными элементами являются червячок и ролик. На легковых авто распространение получил механизм типа «шестерня-рейка». В узле этой конструкции вращательное движение шестерни преобразуется в возвратно-поступательное перемещение рейки с зубчатым сектором. Именно шестерня и рейка — ключевые элементы механизма. Эти составляющие размещаются в корпусе, закрепляемом в подкапотном пространстве на моторном щите или подрамнике.
Косозубая шестерня жестко посажена на второй конец вала рулевой колонки, поэтому воздействие на руль приводит к вращению шестеренки.
Благодаря зубьям шестеренка имеет постоянное зацепление с зубчатым сектором на рейке. Сама рейка представляет собой шток, поэтому вращение шестерни приводит к смещению рейки по продольной оси (к примеру, при вращении руля влево, рейка уходит вправо). Рулевая рейка связана с рулевым приводом, воздействующим на колеса.
За счет такой конструкции механизма и обеспечивается передача усилия (и его увеличение благодаря заданному передаточному соотношению) от руля к приводу.
Статья в тему:
Привод
Рулевой привод включает в себя систему тяг, соединяющих рейку с поворотными кулаками колес. К рейке тяги закрепляются жестко, а вот с поворотными кулаками они соединяются через рулевые шаровые наконечники.
В зависимости от конструкции подвески, в роли поворотного кулака может выступать амортизационная стойка (подвеска МакФерсона) или ступица колеса (в рычажных подвесках).
В подвеске МакФерсона возможность вращаться стойке вокруг оси обеспечивается опорным подшипником и шаровой опорой. В рычажных же подвесках вращение ступицы осуществляется за счет использования двух шаровых опор (верхней и нижней). Опоры и опорные подшипники хоть и являются составными элементами подвески, но от них зависит и работа рулевого управления.
Принцип работы рулевого управления
Для примера возьмем ситуацию, при которой водителю необходимо повернуть налево.
Вращение руля влево валом колонки передается на шестерню, и она тоже вращается в ту же сторону. За счет зубчатого зацепления шестеренка смещает рейку вправо.
Сдвигаясь, рейка тянет левую рулевую тягу, из-за чего амортизационная стойка или ступица проворачивается вокруг оси влево, обеспечивая поворот левого колеса в нужную сторону.
Одновременно рейка толкает правую рулевую тягу, что приводит к повороту правого колеса влево. В результате колеса управляемой оси поворачиваются синхронно, но угол поворота у них разный, что исключает скольжение колес при маневре.
Разница углов поворота обеспечивается заданием установочных углов (развала и схождения) управляемым колесам.
Усилители
Рулевое управление автомобилей сейчас комплектуется усилителями, обеспечивающими повышение усилия, прикладываемого водителем к рулю.
Наибольшее распространение получили усилители гидравлического и электрического типов.
В первом варианте дополнительное усилие создается за счет давления жидкости, нагнетание которой выполняется специальным насосом. Особенностью конструкции гидроусилителя является использование рулевого механизма в качестве гидравлического силового цилиндра (корпус выполняет роль цилиндра, а рейка – поршня).
В электрическом усилителе дополнительно усилие создается электродвигателем с редуктором. На автомобилях используется два типа электроусилителей – располагаемых на колонке и воздействующих на ее вал, а также входящие в конструкцию механизма (взаимодействует с рейкой).
Износ и неисправности
Система управления автомобилем обладает сравнительно простой конструкцией, что обеспечивает узлу большой ресурс. Но со временем составные компоненты рулевого управления изнашиваются (ломаются они реже), что сильно сказывается на управляемости авто, а соответственно и на безопасности движения.
Износу подвержены компоненты, которые взаимодействуют с иными составляющими или обладают подвижными элементами:
Износы указанных компонентов приводят к появлению люфта в рулевом управлении, из-за которых снижается управляемость машины (уменьшается взаимосвязь между управляемыми колесами и рулем).
Поскольку люфты в компонентах узла появляются сразу и от них не избавиться, установлены граничные нормы износа рулевого управления. Для легковых авто критическим является суммарный люфт, превышающий 10 град., а для грузовых авто – 20 град. Суммарный люфт определяется с помощью специального прибора – люфтомера.
Если люфт превышает граничные нормы, узел требует ремонта. Устранение износа в наконечниках, карданных шарнирах выполняется путем их замены.
Для устранения люфта в паре «шестерня-рейка» в конструкции механизма предусмотрен специальный регулировочный винт, которым «выбирается» зазор, образованный между зубьями. Но при сильном износе зубьев регулировка уже невозможна, и восстановление нормальной работоспособности механизма выполняется путем ремонта с заменой изношенных элементов.
Помимо износа в узле возможно и появление неисправностей, которые проявляются в виде повышения усилия при повороте в сторону, подклиниваний, хрустов. Такие симптомы указывают на поломки в механизме – выкрашивание зубьев шестерни и сектора рейки, их граничный износ.
ТО и ремонт
Обслуживание системы управления автомобиля включает в себя ряд операция:
Рулевое управление хорошо поддается ремонту. Замена составляющих системы требуется редко, зачастую удается восстановить работоспособность управления путем ремонта с использованием ремкомплектов и запчастей.
Рулевое управление: назначение и виды
Рулевое управление служит для обеспечения движения автомобиля в заданном водителем направлении. Рулевое управление состоит из рулевого механизма и рулевого привода.
Рулевой механизм служит для увеличения и передачи на рулевой привод усилия, прилагаемого водителем к рулевому колесу. В легковых автомобилях в основном применяются рулевые механизмы червячного и реечного типа.
К достоинствам механизма «червяк-ролик» относятся: низкая склонность к передаче ударов от дорожных неровностей, большие углы поворота колес, возможность передачи больших усилий. Недостатками являются большое количество тяг и шарнирных сочленений с вечно накапливающимися люфтами, «тяжелый» и малоинформативный руль. Минусы в итоге оказались весомее плюсов. На современных автомобилях такие устройства практически не применяют.
Самый распространенный на сегодняшний день – реечный рулевой механизм. Малая масса, компактность, невысокая цена, минимальное количество тяг и шарниров – все это обусловило широкое применение. Механизм «шестерня-рейка» идеально подходит для переднеприводной компоновки и подвески McPherson, обеспечивая большую легкость и точность рулевого управления. Однако тут есть и минусы: из-за простоты конструкции любой толчок от колес передается на руль. Да и для тяжелых машин такой механизм не совсем подходит.
Рулевой привод предназначен для передачи усилия от рулевого механизма на управляемые колеса, обеспечивая при этом их поворот на неодинаковые углы. Если оба колеса повернуты на одинаковую величину, внутреннее колесо будет скрестись по дороге (скользить боком) что будет снижать эффективность рулевого управления. Это скольжение, которое также создает дополнительный нагрев и износ колеса, может быть устранено с помощью поворота внутреннего колеса на больший угол, чем угол поворота внешнего колеса. При движении на повороте каждое из колес описывает свою окружность отличную от другой, причем внешнее (дальнее от центра поворота) колесо движется по большему радиусу, чем внутреннее. А, так как центр поворота у них общий, то соответственно внутреннее колесо необходимо повернуть на больший угол, чем внешнее. Это обеспечивается конструкцией так называемой «рулевой трапеции», которая включает в себя поворотные рычаги и рулевые тяги с шарнирами. Необходимое соотношение углов поворота колес обеспечивается подбором угла наклона рулевых рычагов относительно продольной оси автомобиля и длины рулевых рычагов и поперечной тяги.
Рулевой механизм червячного типа
Рулевой механизм червячного типа состоит из:
– рулевого колеса с валом,
– картера червячной пары,
– пары «червяк-ролик»,
– рулевой сошки.
В картере рулевого механизма в постоянном зацеплении находится пара «червяк-ролик». Червяк есть ни что иное, как нижний конец рулевого вала, а ролик, в свою очередь, находится на валу рулевой сошки. При вращении рулевого колеса ролик начинает перемещаться по винтовой нарезке червяка, что приводит к повороту вала рулевой сошки.
Червячная пара, как и любое другое зубчатое соединение, требует смазки, и поэтому в картер рулевого механизма заливается масло, марка которого указана в инструкции к автомобилю. Результатом взаимодействия пары «червяк-ролик» является преобразование вращения рулевого колеса в поворот рулевой сошки в ту или другую сторону. А далее усилие передается на рулевой привод и от него уже на управляемые (передние) колеса. В современных автомобилях применяется безопасный рулевой вал, который может складываться или ломаться при ударе водителя о рулевое колесо во время аварии во избежание серьезного повреждения грудной клетки.
Рулевой привод, применяемый с механизмом червячного типа включает в себя:
– правую и левую боковые тяги,
– среднюю тягу,
– маятниковый рычаг,
– правый и левый поворотные рычаги колес.
Каждая рулевая тяга на своих концах имеет шарниры, для того чтобы подвижные детали рулевого привода могли
свободно поворачиваться относительно друг друга и кузова в разных плоскостях.
Реечный рулевой механизм
В рулевом механизме «шестерня – рейка» усилие к колесам передается с помощью прямозубой или косозубой шестерни, установленной в подшипниках, и зубчатой рейки, перемещающейся в направляющих втулках. Для обеспечения беззазорного зацепления рейка прижимается к шестерне пружинами. Шестерня рулевого механизма соединяется валом с рулевым колесом, а рейка — с двумя поперечными тягами, которые могут крепиться в середине или по концам рейки. Данные механизмы имеют небольшое передаточное число, что дает возможность быстро поворачивать управляемые колеса в требуемое положение. Полный поворот управляемых колес из одного крайнего положения в другое осуществляется за 1,75…2,5 оборота рулевого колеса.
Рулевой привод состоит из двух горизонтальных тяг и поворотных рычагов телескопических стоек передней подвески. Тяги соединяются с поворотными рычагами при помощи шаровых шарниров. Поворотные рычаги приварены к стойкам передней подвески. Тяги передают усилие на поворотные рычаги телескопических стоек подвески колес и соответственно поворачивают их вправо или влево.
Основные неисправности рулевого управления
Увеличенный люфт рулевого колеса, а также стуки могут явиться следствием ослабления крепления картера рулевого механизма, рулевой сошки или кронштейна маятникового рычага, чрезмерного износа шарниров рулевых тяг или втулок маятникового рычага, износа передающей пары («червяк-ролик» или «шестерня-рейка») или нарушения регулировки ее зацепления. Для устранения неисправности следует подтянуть все крепления, отрегулировать зацепление в передающей паре, заменить изношенные детали.
Тугое вращение рулевого колеса может быть из-за неправильной регулировки зацепления в передающей паре, отсутствия смазки в картере рулевого механизма, нарушения углов установки передних колес. Для устранения неисправности необходимо отрегулировать зацепление в передающей паре рулевого механизма, проверить уровень и при необходимости долить смазку в картер, отрегулировать углы установки передних колес в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя.
Уход за рулевым управлением
Всем известно выражение: «Лучшее лечение это – профилактика». Поэтому каждый раз, общаясь со своим автомобилем снизу (на смотровой яме или эстакаде), одним из первых дел следует проверить элементы рулевого привода и механизма. Все защитные резинки должны быть целы, гайки зашплинтованы, рычаги в шарнирах не должны болтаться, элементы рулевого управления не должны иметь механических повреждений и деформаций. Люфты в шарнирах привода легко определяются, когда помощник покачивает рулевое колесо, а вы на ощупь, по взаимному перемещению сочлененных деталей, находите неисправный узел. К счастью времена всеобщего дефицита прошли, и есть возможность приобрести качественные детали, а не те многочисленные подделки, которые выходят из строя через неделю эксплуатации, как это было в недавнем прошлом.
Решающую роль в долговечности деталей и узлов автомобиля играют стиль вождения, состояние дорог и своевременное обслуживание. Все это влияет и на срок службы деталей рулевого управления. Когда водитель постоянно дергает руль, крутит его на месте, прыгает по ямам и устраивает гонки по бездорожью – происходит интенсивный износ всех шарнирных соединений привода и деталей рулевого механизма. Если после «жесткой» поездки ваш автомобиль при движении стало уводить в сторону, то в лучшем случае вы обойдетесь регулировкой углов установки передних колес, ну а в худшем – затраты будут более ощутимы, так как придется заменить поврежденные детали. После замены любой из деталей рулевого привода или при уводе автомобиля от прямолинейного движения необходимо отрегулировать «сход-развал» передних колес. Работы по этим регулировкам следует проводить на стенде автосервиса с использованием специального оборудования.