Рулевое управление служит для изменения направления движения автомобиля. Изменяют направление при помощи поворота передних направляющих колес.
В рулевое управление входят рулевой механизм и рулевой привод.
Рулевой механизм
Рулевой механизм служит для передачи усилия от рулевого колеса к рулевой сошке.
Рулевой механизм состоит из рулевого колеса 9, рулевого вала 10, рулевой колонки 8, картера 6 с рулевой передачей и вала 5 рулевой сошки 4.
Рис. Схема рулевого управления: 1 — поворотный кулак; 2 — верхний рычаг левого поворотного кулака; 3 — продольная рулевая тяга; 4 — рулевая сошка; 5 — вал рулевой сошки; 6 — картер рулевого механизма; 7 — червяк; 8 — рулевая колонка; 9 — рулевое колесо; 10 — рулевой вал; 11 — ролик; 12 — поперечная рулевая тяга; 13 — наконечник поперечной тяги; 14 — нижняя тяга
На автомобилях применяются главным образом следующие типы рулевых передач: глобоидальный червяк с двух- или с трехгребневым роликом и червяк с боковым сектором.
Рулевая передача, состоящая из глобоидального червяка и ролика, устроена следующим образом. На нижнем конце рулевого вала 8 напрессован глобоидальный червяк 5 (червяк со специальной резьбой). Опорами для червяка служат два роликоподшипника 3. С червяком зацепляется своими гребнями ролик 10, сидящий на шариковых 14 или на игольчатых подшипниках на оси 15, смонтированной в прорези головки 16 вала 11 рулевой сошки 17.
Рис. Рулевая передача с глобоидальным червяком и двухгребневым роликом (автомобили ГАЗ-63 и ГАЗ-51 А): 1 — нижняя крышка картера; 2 — регулировочные прокладки; 3 — роликоподшипник червяка; 4 — картер; 5 — глобоидальный червяк; 6 — пробка заливного отверстия; 7 — верхняя крышка картера; 8 — рулевой вал; 9 — роликоподшипник вала сошки; 10 — двухгребневый ролик; 11 — вал рулевой сошки; 12 — бронзовая втулка; 13 — сальниковое уплотнение; 14 — шарикоподшипник ролика; 15 — ось ролика; 16 — головка вала сошки; 17 — рулевая сошка
При вращении рулевого колеса червяк заставляет находящийся с ним в зацеплении ролик вместе с рулевой сошкой поворачиваться относительно оси вала сошки. Вогнутая форма червяка обеспечивает правильное зацепление пары червяк — ролик в различных положениях рулевой сошки. Установка ролика на подшипниках качения уменьшает потери на трение и износ (при вращении червяка ролик не скользит по поверхности его резьбы, а перекатывается).
Рис. Рулевая передача с цилиндрическим червяком и боковым сектором (автомобили КрАЗ-214 и КрАЗ-219): 1 — сальниковое уплотнение подшипников червяка; 2 — роликоподшипник червяка; 3 — цилиндрический червяк; 4 — рулевой вал; 5 — пробка заливного отверстия; 6 — регулировочные прокладки; 7 — картер; 8 — боковой сектор; 9 — игольчатые подшипники; 10 — пробка сливного отверстия; 11 — сальник; 12 — рулевая сошка
Рулевая передача, состоящая из червяка и бокового сектора, показана на рисунке. Для этой передачи применяется цилиндрический червяк 3. Червяк напрессован на рулевой вал 4 и опирается на два роликоподшипника 2. Червяк находится в зацеплении со спиральными зубьями бокового сектора 8, который выполнен заодно с валом рулевой сошки и вращается в картере 7 на двух игольчатых подшипниках 9. Такого типа передачи применяются на автомобилях большой грузоподъемности, где через рулевое управление передаются большие усилия.
Рулевые передачи размещаются в литом картере, заполненном, маслом. В картере имеются обычно два отверстия: верхнее, закрытое пробкой 5, для заливки масла и нижнее, закрытое пробкой 10, для слива масла. Картер рулевого механизма крепится при помощи болтов к раме автомобиля.
Для обеспечения нормальной работы рулевой передачи в ней регулируются осевой зазор червяка в подшипниках и правильность зацепления передаточной пары.
Рулевая передача значительно облегчает работу водителя. Однако на автомобилях большой грузоподъемности усилие, которое должен прикладывать водитель к рулевому колесу, бывает настолько велико, что уменьшить его, только увеличив передаточное число в рулевой передаче, не удается. Поэтому на автомобилях типа КрАЗ-214 применяются специальные устройства — усилители рулевого управления, которые облегчают управление автомобилем и резко снижают усилие, необходимое для поворота рулевого колеса.
Рулевой привод
Рулевой привод служит для передачи усилия от рулевого механизма к управляемым колесам. Он состоит из рулевой сошки 1, продольной рулевой тяги 7, верхнего рычага 11 левого поворотного кулака, правого и левого нижних рычагов 24 поворотных кулаков 25 и поперечной рулевой тяги 14. Перечисленные детали соединены между собой шарнирно.
Рулевая сошка одним концом жестко связана с наружным концом вала, а другим через продольную рулевую тягу 7 шарнирно соединена с верхним рычагом 11 поворотного кулака 25 левого колеса. Крепление рулевой сошки к валу осуществляется на мелких конусных шлицах при помощи гайки.
Продольная рулевая тяга соединяется с рулевой сошкой и рычагом поворотного кулака при помощи шаровых пальцев 2, закрепленных на концах сошки и рычага. Шаровые пальцы входят в наконечники 5 продольной рулевой тяги, в которых установлены сухари 8. Сухари охватывают шаровые пальцы, под действием сжимающих пружин 4. Пробки 9, ввернутые в наконечники продольной рулевой тяги, дают возможность регулировать затяжку пружин и предохраняют пружины и сухари от выпадания из наконечников тяги. Чтобы пробки не могли самопроизвольно отвертываться, их шплинтуют. Ограничители 3 ограничивают предельное сжатие пружин сухарей при их регулировке. Наличие пружин в соединениях тяг способствует смягчению ударов, передающихся от колес автомобиля. Для защиты шаровых пальцев и сухарей от пыли и грязи места прохода шаровых пальцев в. наконечники тяг закрываются уплотнительными кольцами 10. Смазка к шаровым пальцам и сухарям подводится через масленки 6, установленные на наконечниках продольной рулевой тяги.
Рис. Рулевой привод (автомобиль ГАЗ-51А): 1 — рулевая сошка; 2 — шаровой палец; 3 — ограничитель пружин; 4 — пружина; 5 — наконечник продольной рулевой тяги; 6 и 19 — масленки; 7 — продольная рулевая тяга; 8 — сухари шарового пальца; 9 — пробка; 10 — уплотнительное кольцо; 11 — верхний рычаг поворотного кулака; 12 — гайка крепления рычага поворотного кулака; 13 — ограничитель поворота колес; 14 — поперечная рулевая тяга; 15 — наконечник поперечной рулевой тяги 16 — козырек уплотнительного кольца; 17 — стяжные болты; 18 — конический палец; 20 — пружина; 21 — шайба; 22 — пята конического пальца; 23 — вкладыш конического пальца; 24 — нижний рычаг поворотного кулака; 25 — поворотный кулак
Рычаги поворотных кулаков устанавливаются в отверстиях вилок кулаков на шпонках и крепятся гайками 12, которые затем шплинтуются. Рычаги поворотных кулаков автомобилей с ведущим передним мостом выполняются заодно с крышками подшипников шкворней. Соединение поперечной рулевой тяги с рулевыми рычагами выполнено также шарнирно. Наконечники крепятся на поперечной рулевой тяге при помощи резьбы (с одной стороны правая, с другой — левая) и стяжными болтами 17. Вращением этих наконечников можно изменять длину тяги и тем самым регулировать схождение передних колес.
Для соединения поперечной рулевой тяги с рычагами поворотных кулаков колес используются обычно саморегулирующиеся конические шарнирные соединения. Палец 18 поворотного рычага конической поверхностью прижимается к вкладышу 23 усилием пружины. 20. Вкладыш устанавливается в наконечник поперечной рулевой тяги и от повертывания стопорится винтом, входящим в паз вкладыша. Прижимная пружина верхним концом упирается в пяту 22 пальца, а нижним — в шайбу 21, закрепленную в наконечнике стопорным кольцом. По мере износа конических поверхностей пальца и вкладыша зазор между трущимися поверхностями выбирается перемещением пальца в осевом направлении под действием прижимной пружины.
На автомобилях повышенной проходимости шарнирное соединение поперечной рулевой тяги осуществляется с помощью пальцев и бронзовых втулок. Поперечная рулевая тяга таких автомобилей имеет вильчатые наконечники.
Правильным поворотом направляющих колес является только такой поворот автомобиля, при котором его колеса будут катиться по дороге без скольжения. А это возможно лишь в том случае, если направляющие колеса при повороте автомобиля будут поворачиваться на различные углы, причем внутреннее по отношению к центру поворота колесо должно поворачиваться на больший угол, чем наружное.
Одновременность поворота направляющих колес на необходимые углы обеспечивается рулевой трапецией, которую составляют передняя ось, рулевые рычаги и поперечная рулевая тяга. Правильные соотношения сторон и углов рулевой трапеции выбираются при конструировании автомобиля.
Система рулевого управления позволяет поворачивать колеса автомобиля при вращении рулевого колеса. При этом обод рулевого колеса поворачивается на больший угол, чем колесные диски.
Эта система позволяет водителю прикладывать меньше усилий для управления тяжеловесным автомобилем. При повороте из крайнего левого положения в крайнее правое положение обод колеса диаметром 380мм проходит путь в 5м, при этом ребро колеса смещается всего на 300мм. Если бы водителю пришлось прикладывать усилия для поворота самого колеса, он должен был бы давить на него в 16 раз сильнее.
Усилие, требуемое для поворота рулевого колеса, передается колесам с помощью системы поворотных рычагов. Эти рычаги позволяют перемещать колеса вверх и вниз для работы подвески без изменения угла поворота.
Так выглядит обычная реечная передача, в которой рейка напрямую взаимодействует с рычагами колес.
При движении на повороте такая передача обеспечивает больший угол поворота внутреннего переднего колеса, которое отклоняется от стандартного положения сильнее, чем внешнее.
Шарниры должны быть тщательно подогнаны друг к другу, в противном случае колеса будут болтаться, и управление будет неточным.
В настоящее время часто используются системы рулевого управления двух типов, включающие в себя реечную передачу или коробку рулевого механизма.
В больших автомобилях любая система снабжена усилителем, чтобы водителю было легче поворачивать рулевое колесо.
Система рулевого управления с реечной передачей
Реечная передача
Зубчатый валик плотно соприкасается с рейкой так, чтобы между зубьями не оставалось зазоров. Это позволяет управлять движением колес с большой точностью.
В основании колонки рулевого управления есть разъем с небольшой шестерней, зубья которой соприкасаются с зубьями рейки (длинной пластины с поперечными засечками).
Вращаясь, шестерня перемещается по рейке из стороны в сторону. Концы рейки соединены с колесами поперечной рулевой тягой.
Это очень простая система с немногочисленными подвижными деталями, которые редко смещаются или изнашиваются, поэтому управление производится с большой точностью.
Карданный шарнир в колонке рулевого управления, соединенный с рейкой, не позволяет водителю слишком сильно выворачивать руль.
Система рулевого управления с коробкой рулевого механизма
В основании колонки рулевого управления есть коробка с червячной шестерней. Червячный вал представляет собой цилиндр с резьбой, похожий на короткий винт. При вращении червячный вал двигает все, с чем соприкасается его резьба, как винт, который двигает накрученную на него гайку.
В зависимости от конструкции подвижная часть может представлять собой часть зубчатого колеса, большую гайку, а также палец или ролик с вилкой.
В системе с червячным валом и пальцем вал перемещает откидную рукоятку с помощью пальца с вилкой.
В системе с гайкой предусмотрены твердые подшипники, которые находятся в участке с резьбой. При движении гайки шарик подшипника выкатывается в трубку, которая возвращает его в первоначальное положение.
Червяк перемещает откидную рукоятку, соединенную с рычагом управления с помощью рулевой тяги. В свою очередь, рычаг управления меняет положение ближайшего переднего колеса.
В системе рулевого управления с циркулирующим шариком в резьбу между червяком и гайкой заложены шарики.
Средняя рулевая тяга ведет к одному из колес и соединяется с ним поперечной тягой и рулевой сошкой. Дальний конец средней рулевой тяги крепится к вращающемуся маятниковому рычагу. Конструкции рычагов варьируются в зависимости от модели автомобиля.
Система рулевого управления с коробкой рулевого механизма включает в себя множество подвижных деталей, которые могут изнашиваться или смещаться, поэтому она менее точна.
Рулевое управление с усилителем
Для управления грузовиками и другими тяжеловесными автомобилями водителям приходится прикладывать массу усилий для вращения рулевого колеса. Для того, чтобы перейти из левого крайнего положения в правое, необходимо совершить не один оборот.
Это не позволяет быстро парковать такие автомобили в ограниченном пространстве. Для решения подобных проблем производители оснащают системы рулевого управления усилителями. Усилитель включает в себя насос, который работает от двигателя и подает масло на рейку или в коробку рулевого механизма.
Клапаны в рулевой рейке или коробке открываются, когда водитель поворачивает рулевое колесо, и масло поступает в цилиндр, перемещая поршень, который помогает колесу двигаться в нужном направлении.
Когда водитель останавливает вращение, клапан закрывается, и поршень прекращает двигаться.
При этом механизм лишь облегчает управление, т.к. рулевое колесо по-прежнему связывается с колесами автомобиля обычным способом.
При отключении механизма водитель по-прежнему может управлять автомобилем, но для этого ему требуется гораздо больше усилий.
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.
Рулевая трапеция
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.