Конструкция рулевых механизмов.

Лекция 14. Рулевое управление.

Назначение рулевого управления.

 

Рулевое управление обеспечивает необходимое направление движения автомобиля. Рулевое управление включает рулевой механизм, который осуществляет передачу усилия от водителя к рулевому приводу, и рулевой привод, который осуществляет передачу усилия от рулевого механизма к управляемым колесам. Каждое управляемое колесо установлено на поворотной цапфе (поворотном кулаке) 13 (рис. 1), соединенной с балкой 11 моста шкворнем 8. Шкворень неподвижно закреплен в балке, и его верхний и нижний концы входят в проушины поворотной цапфы. При повороте цапфы за рычаг 7 она вместе с установленным на ней управляемым колесом поворачивается вокруг шкворня. Поворотные цапфы соединены между собой рычагами 9 и 12 и поперечной тягой 10. Поэтому управляемые колеса поворачиваются одновременно.

Рис. 1. Схема рулевого управления

Поворот управляемых колес осуществляется при вращении водителем рулевого колеса 1. От него вращение передается через вал 2 на червяк 3, находящийся в зацеплении с сектором 4. На валу сектора закреплена сошка 5, поворачивающая через продольную тягу 6 и рычаг 7 поворотные цапфы 13 с управляемыми колесами.

Рулевое колесо 1, вал 2, червяк 3 и сектор 4 образуют рулевой механизм, увеличивающий момент, прикладываемый водителем к рулевому колесу для поворота управляемых колес. Сошка 5, продольная тяга 6, рычаги 7, 9 и 12 поворотных цапф и поперечная тяга 10 составляют рулевой привод, передающий усилие от сошки к поворотным цапфам обоих управляемых колес. Поперечная тяга 10, рычаги 9 и 12, балка 11образуют рулевую трапецию, обеспечивающую необходимое соотношение между углами поворота управляемых колес.

Управляемые колеса поворачиваются на ограниченный угол, равный, как правило, 28 - 35º. Это сделано для того, чтобы колеса при повороте не касались рамы, крыльев и других деталей автомобиля.

На некоторых автомобилях в рулевом управлении используют усилитель, облегчающий поворот управляемых колес.

 

Стабилизация управляемых колес.

 

Силы, действующие на автомобиль, стремятся отклонить управляемые колеса от положения, соответствующего прямолинейному движению. Чтобы препятствовать повороту колес под действием случайных сил (толчков от наезда на неровности дороги, порывов ветра и т.п.), управляемые колеса должны сохранять положение, соответствующее прямолинейному движению, и возвращаться в него из любого другого положения. Эта способность называется стабилизацией управляемых колес. Стабилизация колес обеспечивается наклонами шкворня в поперечной и продольной плоскостях

и упругими свойствами пневматической шины.

 

Конструкция рулевых механизмов.

Червячно-роликовый рулевой механизм, показанный на рис. 2, выполнен в виде глобоидного червяка 5 и находящемся с ним в зацеплении трехгребневого ролика 8. Червяк установлен в чугунном картере 4 на двух конических роликовых подшипниках 6. Беговые дорожки для роликов обоих подшипников сделаны непосредственно на червяке. Наружное кольцо верхнего подшипника запрессовано в гнездо картера. Наружное кольцо нижнего подшипника, установленного в гнезде картера со скользящей посадкой, опирается на крышку 2, привернутую к картеру болтами. Под фланцами крышки поставлены прокладки 3 различной толщины для регулирования предварительного натяга подшипников.

Червяк имеет шлицы, которыми он напрессован на вал. В месте выхода вала из картера установлен сальник. Верхняя часть вала, имеющая лыску, входит в отверстие фланца вилки карданного шарнира 7, где закрепляется клином. Через карданный шарнир рулевая пара связана с рулевым колесом.

Вал 9 сошки установлен в картер через окно в боковой стенке и закрыт крышкой 14. Опорой вала служат две втулки, запрессованные в картер и крышку. Трехгребневый ролик 8 размещен в пазу головки вала сошки на оси с помощью двух роликовых подшипников. С обеих сторон ролика на его ось поставлены стальные полированные шайбы. При перемещении вала сошки изменяется расстояние между осями ролика и червяка, чем обеспечивается возможность регулирования зазора в зацеплении.

 

 

 

Рис. 2. Рулевой механизм автомобиля КАЗ-608 «Колхида»

 

На конце вала 9 нарезаны конические шлицы, на которых гайкой закреплена рулевая сошка 1. Выход вала из картера уплотнен сальником. На другом конце вала рулевой сошки имеется кольцевой паз, в который плотно входит упорная шайба 12. Между шайбой и торцом крышки 14 находятся прокладки 13, используемые для регулирования зацепления ролика с червяком. Упорную шайбу с комплектом регулировочных прокладок закрепляют на крышке картера гайкой 11. Положение гайки фиксируют стопором 10, привернутым к крышке болтами.

Зазор в зацеплении рулевой передачи переменный: минимальный при нахождении ролика в средней части червяка и увеличивающийся по мере поворота рулевого колеса в ту или другую сторону.

Такой характер изменения зазора в новой рулевой передаче обеспечивает возможность неоднократного восстановления необходимого зазора в средней, наиболее подверженной изнашиванию зоне червяка без опасности заедания на краях червяка. Подобные рулевые механизмы используются на автомобилях ГАЗ, ВАЗ с разницей в механизме регулировки зацепления червяка 5 с роликом 8.

Реечный рулевой механизм (рис. 3, а). При повороте рулевого колеса 1 шестерня 2 перемещает рейку 3, от которой усилие передается на рулевые тяги 5. Рулевые тяги за поворотные рычаги 4 поворачивают управляемые колеса. Реечный рулевой механизм состоит из косозубой шестерни 2, нарезанной на валу 8 (рис. 3, б) и косозубой рейки 3. Вал вращается в картере 6 на упорных подшипниках 10 и 14, натяг которых осуществляется кольцом 9 и верхней крышкой 7. Упор 13, прижатый пружиной 12 к рейке, воспринимает радиальные усилия, действующие на рейку, и передает их на боковую крышку 11, чем достигается точность зацепления пары.

 

 

 

Рис. 3. Рулевое управление с реечным механизмом:

а – схема рулевого управления; б – реечный рулевой механизм

 

Винтореечный рулвой механизм (рис. 4) имеет две рабочие пары: винт 1 с гайкой 2 на циркулирующих шариках 4 и поршень-рейку 11, входящую в зацепление с зубчатым сектором 10 вала сошки. Передаточное отношение рулевого механизма 20:1. Винт 1 рулевого механизма имеет шлифованную с большой точностью винтовую канавку «арочного» профиля. Такая же канавка выполнена в гайке 2. Винтовой канал, образованный винтом и гайкой, заполнен шариками. Гайка жестко закреплена внутри поршня-рейки стопором.

 

 

 

Рис. 4. Рулевой механизм с встроенным гидроусилителем:

а – устройство; б – схема работы; 1 – винт; 2 – гайка; 3 – желоб; 4 – шарик; 5 – рулевой вал;

6 – корпус клапана управления; 7 – золотник; 8 – сошка; 9 – вал сошки; 10 – зубчатый сектор; 11 – поршень-рейка; 12 – картер-цилиндр; 13 – картер; А и Б – полости цилиндра;

В и Г – шланги входа и выхода масла; Д и Е – каналы.

 

При вращении винта 1 от рулевого колеса, шарики выходят с одной стороны гайки в желоб 3 и возвращаются по нему в канавки винта с другой стороны гайки.

Зубчатая рейка и зубчатый сектор имеют переменные по толщине зубья, что позволяет регулировать зазор в зацеплении рейка-сектор регулировочным винтом, ввернутым в боковую крышку картера рулевого механизма. На поршне-рейке установлены упругие разрезные чугунные кольца, обеспечивающие его плотную посадку в картере-цилиндре 12. Вращение рулевого вала преобразуется в поступательное движение поршня-рейки благодаря перемещению гайки по винту. Зубья поршня-рейки в результате поворачивают сектор, а вместе с ним и вал 9 с сошкой 8. Перед картером рулевого механизма в корпусе 6 установлен клапан управления с золотником 7. С клапаном управления шлангами В и Г соединен насос гидроусилителя.

Во время движения автомобиля по прямой золотник находится в среднем положении (как показано на рис. 4), и масло из насоса по шлангу Г через клапан управления перекачивается обратно в бачок по шлангу В. При повороте рулевого колеса влево золотник 7 перемещается вперед (на рисунке влево) и открывает доступ масла в полость А по каналу Д, а из полости Б масло идет в полость В и в насос. В результате чего облегчается поворот колеса влево. Если водитель приостановит вращение рулевого колеса, то золотник клапана управления займет среднее положение, и угол, на который повернуты направляющие колеса, останется неизменным.

При повороте рулевого колеса вправо винт с золотником 7 перемещается назад (на рисунке вправо) в результате взаимодействия зубьев поршня-рейки и сектора. Перемещаясь назад, золотник открывает доступ маслу в полость Б через канал Е. В результате давления масла на поршень-рейку уменьшается усилие, которое затрачивается на поворот рулевого колеса. При этом рулевая сошка поворачивается против хода часовой стрелки.

 

Рулевой привод.

 

Рулевая трапеция (рис. 5). В зависимости от компоновочных возможностей рулевую трапецию располагают перед передней осью (передняя рулевая трапеция) или за ней (задняя рулевая трапеция). При зависимой подвеске колес применяют трапеции с цельной поперечной тягой; при независимой подвеске – только трапеции с расчлененной поперечной тягой, что необходимо для предотвращения самопроизвольного поворота управляемых колес при колебаниях автомобиля на подвеске. С этой целью шарниры разрезной поперечной тяги должны располагаться так, чтобы колебания автомобиля не вызывали их поворота относительно шкворней. Схемы различных рулевых трапеций показаны на рис. 9.

 

 

Рис. 5. Схемы рулевых трапеций

При зависимой и независимой подвесках могут применяться как задняя (рис. 9, а), так и передняя (рис. 9, б) трапеции.

На рис. 9, в – е приведены задние трапеции независимых подвесок с разным числом шарниров.

Конструкция рулевых приводов при зависимой подвеске. При повороте колес детали рулевого привода перемещаются одна относительно другой. Такое перемещение происходит также при наезде колеса на неровности дороги и при колебаниях кузова относительно колес. Для создания возможности относительного перемещения деталей привода в горизонтальной и вертикальной плоскостях при одновременной надежной передаче усилий соединение осуществляют в большинстве случаев шаровыми шарнирами.

Продольную тягу 1 (рис. 6, а) рулевого привода делают трубчатой с утолщениями по краям для монтажа деталей двух шарниров. Каждый шарнир состоит из пальца 3, сухарей 4 и 7, охватывающих сферическими поверхностями шаровую головку пальца, пружины 8 и ограничителя 9. При затягивании пробки 5 головка пальца зажимается сухарями, а пружина 8 сжимается. Пружина шарнира не допускает образования зазоров в результате износов и смягчает толчки, передаваемые от колес на рулевой механизм. Ограничитель предотвращает чрезмерное сжатие пружины, а при ее поломках не позволяет пальцу выйти из соединения с тягой. Пружины располагают в тяге относительно пальцев 2 и 3 так, чтобы через пружины передавались усилия, действующие на тягу как от сошки 6, так и от поворотного рычага.

б)

Рис. 6. Рулевые тяги автомобиля ГАЗ:

а – продольная; б – поперечная

В поперечной продольной тяге шарниры размещают в наконечниках, навинченных на концы тяги. Резьба на концах тяги обычно имеет резное направление. Поэтому вращением тяги 10 (рис. 6, б) при неподвижных наконечниках 11 можно изменять ее длину при регулировании схождении колес. Пальцы 15 жестко закрепляют в рычагах поворотных цапф. Шаровой поверхностью палец прижимается предварительно сжатой пружиной 12 через пятку 13 к сухарю 14, установленному внутри наконечника тяги. Такое устройство шарнира позволяет непосредственно передавать усилия от пальца на тягу и в обратном направлении. Пружина 12 обеспечивает устранение в шарнире зазора, обусловленного износом. Таким образом, основное отличие шарниров поперечной тяги от шарниров продольной тяги состоит в том, что в первых не имеется пружин, через которые непосредственно передаются усилия в рулевом приводе.

Шарниры рулевых тяг смазывают через масленки. На некоторых автомобилях в шарниры смазочный материал закладывают при сборке, и пополнять ее в процессе эксплуатации не требуется.

Особенности рулевых приводов при независимой подвеске управляемых колес ( рис. 7 ). Рулевой привод при независимой подвеске должен исключать произвольный поворот каждого колеса в отдельности при его качании на подвеске. Для этого необходимо возможно близкое совпадение осей качания колеса и тяги привода, что достигается применением разрезной поперечной тяги. Такая тяга состоит из шарнирно соединенных частей, которые перемещаются с колесами независимо одна от другой.

 

 

Рис. 7. Схема рулевого привода при независимой подвеске:

1 – стойка; 2 – поворотные цапфы; 3 – рычаг поворотной цапфы; 4 и 9 – боковые тяги;

5 – маятниковый рычаг; 6 – сошка; 7 – рулевой механизм; 8 – средняя тяга.