Устройство рулевого механизма (гидроусилитель руля и рулевой механизм)

В этой статье мы рассмотрим особенности двух наиболее распространенных типов рулевого механизма: реечный рулевой механизм и рулевой механизм с шариковой гайкой.

Рулевой механизм

Также мы поговорим о рулевом управлении с гидроусилителем и узнаем о интересных технологиях развития систем рулевого управления, способных увеличить экономичность.

Возможно, вы удивитесь, узнав, что при повороте колеса на передней оси производят различную траекторию (что обеспечивает легкий поворот). Следовательно, внутреннее колесо (ближайшее к повороту) должно быть повернуто больше, чем внешнее. Как было сказано ранее, существует реечный рулевой механизм и рулевой механизм с шариковой гайкой.

Реечный рулевой механизм

Реечный рулевой механизм получает широкое применение на легковых автомобилях, малых грузовиках и внедорожниках. Этот тип рулевого механизма - самый простой и легкий. Шестерня на рулевом валу сцеплена с зубчатой рейкой. Когда вы поворачиваете руль, шестерня начинает вращаться и приводит рейку в движение.

Рулевой наконечник на конце рейки соединяется с рулевой сошкой на шпинделе (см. картинку выше). Функция зубчатой рейки с шестерней заключается в обеспечении передаточного отношения, которое облегчает поворот колеса. Большенство автомобилей устроены так, что потребуется от трех до четырех полных оборотов руля, чтобы развернуть колеса на 180 градусов. Передаточное отношение рулевого механизма - это отношение градуса поворота руля к градусу поворота колес. Например: допустим, один полный оборот руля (360 градусов) поворачивает колесо на 20 градусов, тогда передаточное отношение рулевого механизма - 18:1 (360 разделить на 20).

Чем выше соотношение, тем больше градус поворота руля и тем меньше усилий нужно приложить. Как правило, у легких спортивных автомобилей передаточное отношение рулевого механизма более низкое, чем у крупных автомобилей и грузовиков. При низком передаточном отношении рулевого механизма вам не нужно с усилием крутить руль чтобы выполнить поворот. Таже существуют автомобили с переменным передаточным отношением рулевого механизма. В этом случае у зубчатой рейки с шестерней разный шаг зубьев (количество зубьев на дюйм) в центре и по бокам, как следствие, автомобиль реагирует на поворот быстрее.

Когда зубчатая рейка находится в системе рулевого управления, представляется следующая картина. В рейку помещен цилиндр с поршнем с отверстиями на концах. Усилитель перемещает жидкость под высоким давлением с одного конца поршня в другой, заставляет его (поршень) перемещаться, который в свою очередь заставляет перемещаться рейку.

Рулевой механизм с шариковой гайкой

Рулевой механизм с шариковой гайкой можно встретить на многих грузовиках и внедорожниках. Эта система несколько отличается от системы реечного рулевого механизма. В рулевом механизме с шариковой гайкой есть так называемый червяк.

Мысленно можно разделить червяка на две части. Первая часть представляет собой металлически блок с резьбой (зубьями), который приводит во вращение рулевую сошку (см. рисунок выше). Рулевое колесо соединено с резьбовым стерженем, похожим на болт, прикрепленный к блоку. Когда рулевое колесо вращается, болт поворачивается вместе с ним. Вместо того, чтобы закручиваться в блок, как обычные болты, этот болт закреплен так, что, когда он вращается, он движет блок, который в свою очередь движет червяка.

Болт не соприкасается резьбой с блоком, поскольку она заполнена шарикоподшипниками, циркулирующими по механизму и уменьшающими трение, износ и замусоривание. Если в рулевом механизме не будет шариков, на какое то время зубья не будут соприкасаться друг с другом и вы почувствуете что руль потерял жесткость. Гидроусилитель в рулевом механизме с шариковой гайкой функционирует точно так же, как и в реечном рулевом механизме. Сейчас мы рассмотрим дугие компоненты рулевого управления.

Гидроусилитель руля

Гидроусилитель состоит из насоса и поворотного клапана. Лопастной насос снабжает рулевой механизм гидравлической энергией (см. диаграмму ниже).

С помощью ремня и шкива двигатель приводит насос в действие. Насос снабжен набором лопаток, вращающихся внутри овальной камеры. Вращаясь, лопатки перемещают гидравлическую жидкость, находящуюся под низким давлением, из возвратной трубки в выпускное отверстие (давление увеличивается). Сила потока зависит от количества оборотов двигателя автомобиля. Насос должен обеспечивать нужный напор и при работе двигателя на режиме холостого хода.

В результате, насос перемещает большее количество жидкости, когда двигатель работает на более высоких скоростях. Насос имеет предохранительный клапан, который помогает регулировать давление, особенно при высоких оборотах двигателя, когда перекачивается большой объем жидкости.

Поворотный клапан

Система управления с гидроуселителем должна функционировать только тогда, когда водитель прилагает усилия при повороте рулевого колеса. Если водитель не прилагает усилий (например, при движении по прямой), система не должна работать. Устройство, которое реагирует на увеличение прилагаемой силы при повороте руля называется поворотным клапаном. Неотъемлимой частью поворотного клапана является торсион.

Торсион представляет собой тонкий металлический стержень, который закручивается под действием крутящего момента. Один конец торсиона соединен с рулевым колесом, а второй с шестерней или червяком (который задействован при повороте колес), при этом число оборотов крутящего момента в торсионе равно числу оборотов крутящего момента, необходимого для поворота колеса. Чем больше крутящий момент, необходимый для поворота колеса, тем больше закручивается торсион.

Входной вал формирует внутреннюю часть золотникового клапана, который также соединяется с верхней частью торсиона. Нижняя часть торсиона подсоединяется к внешней части клапана. Торсион также связан с рулевым механизмом, соединенным либо с шестерней, либо с червяком ( в зависимости от типа руля ). Закручиваясь, торсион вращает внутреннюю часть золотникового клапана, внешняя остается неподвижной. Поскольку внутренняя часть клапана также соединена с рулевым валом (а, следовательно и рулем), количество оборотов внутренней части клапана зависит от количество оборотов рулевого колеса.

Когда руль неподвижен, по обеим гидравлическим трубкам к рулевому механизму поступает одинаковый объем давления. Но если золотниковый клапан повернут - каналы открыты и через них к гидравлическим трубкам под высоким давлением поступает жидкость. Как показывает практика, этот тип системы рулевого управления довольно нерациональный.

Что ждет рулевое управление с гидроусилителем завтра?

Поскольку насос рулевого механизма с гидроусилением на большинстве автомобилей непрерывно перекачивает жидкость, он расходует мощность и переводит топливо. Возможно, в связи с этим, вы ожидаете появления ряда новшеств, которые позволят улучшить экономию топлива. Одной из самых удачных идеи является система с компьютерным управлением. Эта система полностью исключает механическую связь между рулевым колесом и рулевым механизмом, заменив ее электронной системой управления.

Фактически руль работает так же, как тот, что предназначен для компьютерных игр. Руль снабдят датчиками, которые будут подавать сигнал автомобилю о направлении движения колес и моторами, обеспечивающими обратную реакцию на действия автомобиля. Мощность этих датчиков будет использоваться для управления рулевого механизма с электроприводом, в этом случае рулевой вал не нужен и места в моторном отсеке становится больше.

General Motors представил концепт-кар Hy-wire, на котором уже установлена такая система. Самое примечательное в системе с электронным управлением автомобиля от GM то, что вы можете настроить управляемость автомобиля с помощью новго компьютерного программного обеспечения. В автомобилях с электронным управлением будущего вы сможете подстроить систему контроля под себя, достаточно лишь нажать несколько кнопок. Все очень просто! За последние пятьдесят лет система рулевого управления не сильно изменились. Но в следующем десятилетии наступит эпоха более экономичных автомобилей и более комфортной езды.