Механизм рулевого управления автомобиля: типы и устройство

Какое оно бывает

Вы уже, наверное, заметили, что в современном рулевом управлении в комплекте идет электро усилитель руля.

В других комплектациях может идти гидроусилитель руля, а может и вообще, никакого усилителя нет, что характерно для бюджетных автомобилей.

Так же стоит заметить, что диаметр рулевого колеса может быть разным. Для легковых автомобилей такие показатели рулевого колеса могут быть в пределах от 380 мм до 425 мм. Для грузовых автомобилей в пределах от 440 мм до 550 мм.

В некоторых автомобилей вообще предусмотрена замена рулевого колеса на «вкус» водителя.

Такая замена происходит за доли секунды и обычно это характерно для спортивных автомобилей, где руль стандартного диаметра необходимо заменить на руль меньшего диаметра.

Реечный рулевой механизм

Механизм реейчного типа (шестерня-рейка) 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.

Регулировка

Однозначно можно сказать, что рулевое управление нуждается в регулировке. Как правило, это касается черявичого элемента или шестерни-рейки. Именно в этих механизмах появляется люфт, что влияет на износ остальных деталей устройства. Если вовремя не регулировать РУ, то это может привести к полому рейки и большим денежным потерям. Для того, чтобы выполнить данную процедуру, необходимо обратиться к специалистам на СТО, которые проведут ее точно по регламенту производителя. Самостоятельно же, при наличии соответствующих навыков, можно менять лишь ряд деталей, например, подшипники.

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:

• карданные шарниры колонки;
• пара «шестерня-рейка»;
• втулки рейки;
• рулевые наконечники;

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.

Рулевой механизм ВАЗа

На классических моделях этих авто применяется рулевая с редуктором. На более современных моделях используется реечный механизм. На примере ВАЗ-2105 посмотрим конструкцию механизма, а также рассмотрим реализацию реечного управления от инженеров АвтоВАЗа.

Устройство рулевой системы простое и отлично продуманное. Среди самых интересных узлов — трапеция. Она, в свою очередь, сама состоит из большого количества различных рычагов и тяговых механизмов.

Большинство автолюбителей считают рулевую колонку не слишком мощной, однако это не так. Эта рулевая надежно выдерживает все испытания. Ей по плечу даже самые экстремальные дорожные условия.

Устройство рулевого механизма ВАЗ-2105 не такое архаичное, как может показаться на первый взгляд. Колонка оснащена специальной пластиной, которая при аварии буквально складывает рулевой вал, а колесо не нанесет водителю травм. Червячная передача, редуктор и рычаги отлично увеличивают усилие водителя. Не требуется прикладывать серьезных усилий для поворота. Но для вождения «классики» сила все-таки нужна.

Виды рулевых колонок велосипеда

Выбор главного узла начинается с определения типа рулевых колонок. Механизм состоит из совокупности комплектующих элементов. Каждый вид имеет свои нюансы и характеристики. Представленные на рынке варианты иногда существенно различаются, т.к. «заточены» для конкретных моделей велосипеда.

По форме колонки разделяют на 2 класса:

1. Полый прямоугольный. Диаметр трубы имеет одинаковые размеры вверху и снизу. Устройство подходит всем стилям катания − от неторопливого городского до суперэкстремального.
2. Рулевые стаканы конусовидной формы. Узкая труба расширяется до 1,5 дюйма снизу. Конфигурация «Tapered» выдерживает любые нагрузки, обеспечивает велосипеду дополнительную прочность.

Резьбовая

Простой и недорогой вид рулевых колонок присутствовал на велосипедах, выпускаемых в бывшем Советском Союзе. Легкая конструкция составлена из следующих частей:

• две чашки, запрессованные в стакан рамы;
• закрытые или открытые подшипники;
• шток вилки с нанесенной резьбой;
• контргайка, которая стягивает элементы конструкции.

Сложный в настройке узел не выдерживает максимальных нагрузок, т.к. используется в прогулочных двухколесниках. Колонку (threaded) узнают по большим размерам выступающих за раму частей и крепежной гайке, расположенной в верхней части рулевого стакана велосипеда. К достоинствам конструкции относят способность отрегулировать высоту руля, приспособиться к изогнутым формам комфортных дорожных велосипедов.

Реечный рулевой механизм

Механизм реейчного типа (шестерня-рейка)

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.

Как осуществить ремонт рулевой колонки?

Несмотря на то, что РК – надежный механизм, иногда в нем возникают неисправности, которые ни в коем случае нельзя игнорировать. Самым первым тревожным признаком является появление увеличенного осевого люфта или свободного хода в плоскости. В первом случае это признак неисправности шлицевого соединения или выработки шарниров. Во втором – неполадки с креплением к кронштейну.

Помимо увеличенного люфта к симптомам неисправного рулевого управления относятся:

• Тяжелое вращение рулевого колеса;
• Скрипы при управлении машиной;
• Подтекание смазки.

Если в процессе езды руль туго поворачивается (когда машина стоит на месте, в моделях без гидроусилителя руль всегда будет крутиться туго), следует искать причину в:

• Некорректной настройке развал-схождения;
• Деформации какой-то конкретной детали передающего усилия механизма (это может быть трапеция, рулевая рейка или кардан колонки);
• Установке неподходящих деталей (если тугой ход руля стал наблюдаться после ремонта рулевого управления);
• Сильной затяжке гайки маятника.

Подтекание смазки зачастую связано с тем, что сальники выработали свой ресурс. Такая же неисправность наблюдается при халатном выполнении ремонта (болты картера плохо затянуты) или при износе уплотнительной резинки крышки картера.

Появление скрипов может быть обусловлено:

• Увеличенным зазором в ступичных подшипниках;
• Плохим креплением пальцев тяг рулевого управления;
• Увеличенным зазором втулок и маятника;
• Отработавшими свой ресурс подшипниками;
• Плохим креплением поворотных рычагов.

В некоторых случаях рулевое управление невозможно починить без снятия рулевой колонки. Рассмотрим последовательность выполнения данной процедуры.

Особенности правостороннего и левостороннего руля

Левостороннее и правостороннее рулевое управление В современных автомобилях может быть предусмотрено правостороннее или левостороннее рулевое управление, что зависит от вида транспортного средства и законодательства отдельных стран. В зависимости от этого руль может располагаться справа (при левостороннем движении) или слева (при правостороннем).

В большинстве стран левостороннее рулевое управление (или правостороннее движение). Основное отличие механизмов не только в позиции руля, но и в рулевом редукторе, который адаптирован под различные стороны подключения. С другой стороны, переоборудование правостороннего руля на левостороннее рулевое управление все же возможно.

В некоторых видах спецтехники, например, в тракторах, предусматривается гидрообъемное рулевое управление, которое обеспечивает независимость положения руля от компоновки других элементов. В этой системе отсутствует механическая связь привода и рулевого колеса. Для выполнения поворота колес гидрообъемное рулевое управление предусматривает силовой цилиндр, которым управляет насос-дозатор.

Основные достоинства, которые имеет гидрообъемное рулевое управление для транспортных средств в сравнении с классическим рулевым механизмом с гидравлическим усилителем: необходимость приложения меньших усилий для выполнения поворота, отсутствие люфта, а также возможность произвольного расположения узлов системы.

Таким образом, ГОРУ может обеспечивать и правостороннее, и левостороннее рулевое управление. Это позволяет его устанавливать в транспортных средствах с особыми режимами эксплуатации (дорожно-строительные машины, уборщики).

Автомобили. Проектирование и расчет рулевых управлений: Учебно-методическое пособие, страница 11

8.2. Передаточное число рулевого управления

Общее кинематическое передаточное число рулевого управления определяется как отношение

,

где	a	– угол поворота управляемых колес;
Q	– угол поворота рулевого колеса.

Для легковых автомобилей полный угол поворота рулевого колеса составляет Q = 1080…1260° (3…3,5 оборота), а полный угол поворота управляемых колес a = 65…70. Передаточное число рулевого привода uРП

= 1. Для грузовых автомобилей при повороте управляемых колес на a = 40° (±20° от нейтрального положения) угол поворота рулевого колеса не должен превышать Q £ 1260°, без учета угла свободного поворота рулевого колеса. Передаточное число рулевого приводаuРП £ 1,3…1,5.

Передаточное число рулевого управления определяется и как произведение передаточного числа рулевого привода uРП

и передаточного числа рулевого механизма,uРМ .

Из этого выражения передаточное число рулевого механизма определяется

Для сравнительного анализа следует отметить, что передаточное число рулевых механизмов легковых автомобилей укладывается в пределах uРМ

= 16…20, а грузовых –uРМ = 20…24.

При выполнении кинематического расчета рулевого управления выполняется разработка* кинематики совместной работы рулевых тяг и направляющего устройства подвески, задача которой состоит в том, чтобы найти такие размеры и расположение в пространстве рычагов шарниров и тяг рулевого управления, при которых не будет происходить угловых перемещений управляемых колес при деформации упругих элементов подвески.

9. СИЛОВОЙ РАСЧЕТ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ

Задачей силового расчета является определение максимальных сил, действующих на рулевое управление. В силовом расчете определяются: усилие на рулевом колесе, необходимое для поворота управляемых колес (сила, действующая на рулевое управление от рулевого колеса); на управляемых колесах при торможении; на отдельных деталях рулевого управления, а также усилие, развиваемое цилиндром усилителя (сила, действующая на рулевое управление от усилителя).

9.1.Усилие на рулевом колесе

Наибольшего значения усилие на рулевом колесе Fр

достигает при повороте автомобиля, стоящего на сухом асфальтобетонном покрытии. В движении это усилие снижается почти в два раза:

,

где	МСП	– момент сопротивления повороту управляемых колес на месте (момент на цапфах), Н×м;
Rр	– радиус рулевого колеса, м;
– прямой КПД рулевого управления ().

Размеры рулевого колеса нормированы и имеют следующие значения (табл. 4).

Момент сопротивления повороту управляемых колес определяется как

МСП

=Мf +Мj +Мb +Мg ,

где	Мf	– момент сопротивления перекатыванию управляемых колес при их повороте вокруг шкворней (момент сопротивления качению колес);
Мj	– момент сопротивления скольжению, возникающий при повороте колеса на месте;
Мb ,Мg	– моменты, обусловленные поперечными и продольными наклонами шкворней.

Для расчетов МСП

можно воспользоваться полуэмпирической формулой, дающей достаточно близкие значения к опытным:

,

где	– давление воздуха в шине, Па;
j	– коэффициент сцепления (j = 0,7…0,9);
– осевая нагрузка, воспринимаемая управляемыми колесами, Н.

Таблица 4

Размеры рулевого колеса

Тип автомобиля	Диаметр рулевого колеса, мм
Легковые особо малого класса	380
Легковые, микроавтобусы, грузовые малой грузоподъемности	400 и 425
Грузовые средней грузоподъемности и автобусы средней вместимости	440 и 475
Грузовые и тягачи большой грузоподъёмности, многоместные автобусы и троллейбусы	550

Полученное значение Fр

сопоставляется с допустимым [Fр ] = 250 Н на рулевом колесе. ЕслиFр > [Fр ], необходима установка усилителя.

9.2. Усилие, развиваемое цилиндром усилителя

Устройство рулевого управления

Рассмотрим устройство рулевого управления колесных машин с управляемыми колесами. Конструктивно рулевое управление состоит из:

• рулевого механизма;
• усилителя;
• рулевого привода.

Компоновка рулевого управления грузового автомобиля с управляемыми колесами первой оси (КамАЗ, МАЗ) показана на рисунке. Использование регулируемых рулевых колонок позволяет менять угол наклона ступенчато, как правило, с шагом 5° в пределах до 40°. Рулевое управление с передними управляемыми колесами применяется у двух- и трехосных автомобилей. Компоновка и конструкция рулевого управления сравнительно просты и принципиально могут быть сведены к схемам, приведенным на рисунке.

На четырехосных автомобилях чаще всего устанавливают рулевое управление с поворотом колес первой и второй осей, первой и четвертой, либо всех осей.

Чтобы автомобиль мог двигаться в заданном водителем направлении нужно рулевое управление. В систему рулевого управления входит рулевой механизм и рулевой привод. В этой статье мы подробно разберем устройство рулевого управления автомобиля и его работу.

И так, рулевой механизм может быть червячным, реечным и активным. Рассмотрим их устройство и работу подробнее…

Устройство реечного рулевого механизма

Реечный рулевой механизм – самый распространенный в наши дни, и состоит он из:

• Рулевого колеса (руля);
• Рулевого вала;
• Рулевой рейки, являющейся узлом, состоящим из зубчатой рейки и приводимой в движение рулевой шестерней. Концы зубчатой рейки имеют резьбовые отверстия для крепления рулевых тяг.
• Рулевых тяг, являющихся металлическими стержнями, имеющими на одном конце резьбу, а на другом – шарнирное шаровое устройство с резьбой.
• Рулевого наконечника – корпуса с шаровым шарниром и внутренней резьбой, куда вкручиваются рулевые тяги.

И так, рулевое колесо вращается, передавая усилие на шестерню, приводящую в действие рулевую рейку, которая выезжает из корпуса вправо или влево и передает усилие на рулевой рычаг с наконечником, вставленным в ступицу, поворачиваемую им.

Чтобы свести на минимум усилия водителя при работе с рулем, реечное рулевое устройство имеет усилители руля. Поговорим о них подробнее…

Усилители руля

К усилителям руля относятся вспомогательные устройства для обеспечения его вращения. К типам усилителей относятся электроусилитель, гидроусилитель, пневмоусилитель и гидроэлектроусилитель.

Гидроэлектроусилитель имеет ту же систему, однако вращение насоса осуществляется электромотором.

Электроусилитель также оснащен электромотором, который соединен непосредственно с рулевым валом или рейкой, а управление происходит электронным блоком. Второе название электроусилителя – адаптивный усилитель, поскольку можно в зависимости от скорости движения авто прикладывать разные усилия к вращению руля. Яркий представитель такой системы – Servotronic.

Пневмоусилитель близок по строению с гидроусилителем, однако вместо жидкости используется сжатый воздух.

Устройство активной рулевой системы

В наше время активная рулевая система является самой продвинутой. Состоит она из:

• Рулевой рейки с планетарным механизмом и электродвигателем;
• Блока электронного управления;
• Рулевых тяг, наконечников;
• Рулевого колеса.

Рулевое колесо начитает вращаться, а с ним и планетарный механизм, приводящий в действие рейку, однако в зависимости от скорости движения передаточное число будет разным.

Солнечная шестерня снаружи вращается электродвигателем, и передаточное число будет меняться в зависимости от скорости вращения. На большой скорости даже небольшое движение руля может привести к плачевным последствиям, поэтому электромотор включается, вращает солнечную шестерню, и при повороте нужно будет больше довернуть руль. Если скорость маленькая, то вращение электродвигателя происходит в другую сторону, и управление автомобилем становится более комфортным.

Устройство червячной рулевой системы

Червячная рулевая система состоит из:

• Руля;
• Рулевого вала с крестовиной – металлического стержня, с одной стороны которого есть шлицы для фиксации руля, а с другой – внутренние шлицы, которые крепятся к рулевой колонке.
• Рулевой колонки – литого корпуса, состоящего из червячной ведущей шестерни и ведомой, которая соединена с рулевой сошкой.
• Рулевых тяг, наконечников и маятников, в совокупности соединенных между собой шаровыми и резьбовыми соединениями.

Данной системой были оснащены старые модели «Жигулей» и «BMW».

Есть еще и винтовая система рулевого управления, схожая с червячным механизмом.

Более подробно с устройством и работой рулевого управления автомобиля вас познакомит это видео:

Рулевые механизмы

Рулевые механизмы по конструкции делят: на винтовые, червячные и шестеренчатые. Требования, предъявляемые к конструкции рулевых механизмов, достаточно противоречивы. Для легкого поворота управляемых колес необходимо иметь большое передаточное отношение рулевого механизма, но при этом увеличивается время поворота управляемых колес. Поэтому, при постоянном значении передаточного числа Uрм редуктора рулевого механизма его величину для легковых автомобилей ограничивают в пределах Uрм = 12 … 20, для грузовых автомобилей Uрм = 15 … 25.

Рулевой механизм с глобоидным червяком и роликом (рис. 7) отличается малым внутренним трением и вследствие этого высокой долговечностью незначительным износом контактирующих поверхностей. Условия зацепления червяка и ролика практически не изменяются при больших углах поворота червяка.

Рис. 7. Рулевой механизм с глобоидным червяком и роликом

Глобоидальный червяк (глобоида — образующая червяка) позволяет выполнять регулировку зацепления даже при относительно больших износах. В картере 1 рулевого механизма на роликовом подшипнике 2 и подшипнике скольжения 3 установлен вал 4 сошки 5. В проушине вала 4 неподвижно закреплена ось 6 трехгребневого ролика 8. Ролик вращается на игольчатых подшипниках 7. Гребни ролика входят в зацепление с винтом глобоидного червяка 9, неподвижно закрепленного на рулевом валу 10, вращающемся на роликовых подшипниках 11. При повороте рулевого колеса поворачивается червяк 9 и вал 4 сошки вместе с роликом 8.

Ось 6 ролика сдвинута по отношению к оси червяка на величину Δ, равную примерно (5… 7) мм, что позволяет устранить зазор в зацеплении в случае износа деталей. Зазор устраняется смещением вала сошки вправо с помощью регулировочного винта 12, фиксируемого контргайкой 13. Регулировка зазора производится при положении прямолинейного движения управляемых колес. Зазоры в конических подшипниках 11 устраняются уменьшением количества прокладок 14.

Рулевой механизм винт — гайка — рейка — сектор (рис. является комбинированным рулевым механизмом с двухступенчатым редуктором, отличающимся повышенным ресурсом. Первоначально применялся для грузовых автомобилей с большой полной массой.

Рис. 8. Рулевой механизм винт — гайка — рейка — сектор

В первой ступени комбинированного рулевого механизма, вращение винта 1, жестко соединенного с валом рулевого колеса, преобразуется в поступательное движение шариковой гайки 2, на наружной поверхности которой нарезаны зубья рейки 3. Вторая ступень редуктора состоит из зубчатой рейки 3, находящейся в зацеплении с зубчатым сектором 4, закрепленном на валу сошки 5. Для увеличения КПД механизма, трение скольжения в гайке заменяют трением качения с помощью шариков 6.

Винт 1 установлен в картере 9 рулевого механизма на двух конических подшипников 10, натяг которых регулируется количеством прокладок между картером 9 и крышкой 11. Регулировка зазора в зацеплении рейка — сектор выполняется смещением вала 5 сошки вдоль оси вращения с помощью регулировочного вина 7, фиксируемого контргайкой 8. регулировка обеспечивается за счет конической формы и переменной толщины зубьев рейки и сектора.

Шестеренчатый (реечный) рулевой механизм (рис. 9) отличается простотой конструкции и в основном применяется на легковых автомобилях категории Ml. Редуктор состоит из шестерни 3, закрепленной на ведущем валу 2 и зубчатой рейки 4. При повороте рулевого колеса шестерня 3 перемещает рейку 4, с которой соединяются боковые тяги 8 и 9 привода рулевого управления. Боковые тяги шарнирно соединены с поворотными рычагами 11, жестко закрепленными на поворотных цапфах управляемых колес. Картер рулевого механизма 5 крепится к кузову автомобиля 17. Рулевой вал 2 с неподвижно закрепленной на нем шестерней 3 вращается в упорных шариковых подшипниках 12, установленных в картере 5.

Рис. 9. Реечный рулевой механизм

Предварительный натяг (зазор) в подшипниках регулируется с помощью регулировочного кольца 6. Рейка поджимается к шестерне упором 14 с пружиной 15. Угол схождения колес регулируется длиной боковых тяг с помощью резьбовых соединений 10 тяг 8 и 9 с шарнирами 16.