Система рулевого управления колесных транспортно-технологических машин (ТТМ) призвана выполнять две основные функции. Первый — изменение направления движения в соответствии с командами водителя по рулевому управлению. Второй — сохранение заданного направления движения при наличии внешних возмущений (поперечный уклон дороги, боковой ветер и т.д.), стремящихся отклонить ТТМ от заданного водителем направления.
Колесные ТТМ и транспортные средства, как правило, оснащены системой рулевого управления, которая обеспечивает заданное водителем направление движения посредством отдельных и скоординированных движений рулевых колес. Система рулевого управления должна обеспечивать такие углы поворота каждого из управляемых колес, чтобы все колеса автомобиля катились без бокового проскальзывания или с минимально возможным проскальзыванием.
Требования к рулевому управлению, устойчивости, маневренности и простоте управления могут быть удовлетворены, если рулевое оборудование обеспечивает
- высокая жесткость компонентов и отсутствие зазоров в их соединениях;
- согласованность (пропорциональность) между углом поворота и углом поворота;
- согласованность кинематики компонентов рулевого управления и подвески;
- простота управления и маневренность автомобиля (низкий крутящий момент, необходимый для поворота, чувство дороги).
Маневрирование путем поворота рулевых колес является наиболее распространенным способом поворота транспортного средства, но изменение направления движения в дополнение к этому способу может быть достигнуто путем:
- Рулевое управление с управляемой осью;
- Путем сборки звеньев транспортного средства; путем рулевого управления.
Кроме того, конструкция рулевой системы зависит от типа рулевого механизма (червячный, винтовой, реечный) и усилителя (гидравлический, электрический).
2. Способы поворота
Маневрирование путем поворота рулевых колес является наиболее распространенным методом поворота транспортных средств. Управление с помощью рулевых колес является достаточным для выполнения требований к рулевому управлению. Там, где это возможно, количество пар рулевых колес обычно как можно меньше. Это упрощает конструкцию системы рулевого управления и повышает ее стабильность.
Однако если число управляемых колесных пар меньше n-1, где n — общее число осей автомобиля, то при повороте колеса неизбежно могут сместиться в одну сторону. Положение управляемых колес в этом типе поворота зависит от типа и назначения транспортного средства (рис. 1).
Рис. 1 Положение управляемых колес: TP — направление рулевого управления.
Качение колес без бокового проскальзывания на двухосном автомобиле достигается при переднем приводе колес. Поворот автомобиля (рис. 1, а) происходит относительно т. О — центра вращения, расположенного на пересечении оси заднего колеса и оси двух управляемых колес. Поэтому рулевые колеса повернуты на разные углы, и угол поворота внутреннего колеса Θc больше угла поворота внешнего колеса Θn, Θc>Θn. Соотношение между углами зависит от расстояния между рулевыми кулаками B и колесной базой L и определяется соотношением ctg Θn= ctg Θv+B/L.
Радиус поворота транспортного средства определяется как минимальный радиус поворота Rmin = L/sinΘnmax. Для большинства автомобилей значение Θnmax составляет (30…35)°, а минимальный радиус примерно в два раза больше базы автомобиля. Предельный угол поворота может быть увеличен для внедорожных транспортных средств до 45°.
Как передние, так и задние колеса могут быть управляемыми для улучшения способности поворота (рис. 1, б). При таком расположении минимальный радиус поворота составляет Rmin = L/(2sinΘnmax), т.е. при тех же основных параметрах радиус поворота можно уменьшить вдвое.
Поворот трехосных автомобилей с передними поворотными колесами (рис. 1, в) отличается тем, что качение колес центральной и задней осей без бокового проскальзывания невозможно. Поэтому колеса осей тележки стремятся выстроиться как можно ближе друг к другу, чтобы расстояния L и l были как можно меньше для этой цели. Для таких транспортных средств дополнительным критерием поворота является «коридор просвета» Vr — ширина полосы, которую не должно превышать транспортное средство при повороте.
Маневрирование путем вращения осей (рис. 2, а) или тележек (рис. 2, б) используется в тех случаях, когда по системным причинам вращение колес затруднено из-за их ширины (пневмокатки, широкие колеса). Боковое скольжение колес на дороге при таком типе поворота неизбежно.
Складывание тяг TTM (рис. 2, c) обеспечивает большую маневренность и может использоваться на специальных машинах или машинах с длинной колесной базой. Угол складывания может достигать 90°.
Бортовое складывание (рис. 2, г) достигается путем отключения привода колеса от двигателя с помощью муфт F1 и F2 и торможения отключенного привода с помощью тормозов T1 или T2. Таким образом, поворот осуществляется практически на месте.
Рис. 2 Способ поворота колесной техники
Это наименее практичный метод токарной обработки, но он может значительно упростить конструкцию станка. Он наиболее подходит для машин с короткой колесной базой. На мягком грунте поворот будет деформировать и сдвигать грунт, увеличивая сопротивление.
3. Основные схемы рулевого управления
Система рулевого управления в автомобилях состоит из рулевого механизма и устройства управления (рулевого привода). Рулевой механизм (рис. 3) передает усилие от рулевого колеса 1 и вала 2 к рулевому цилиндру с одновременным увеличением передаваемого крутящего момента с помощью редуктора 3, 4. На приводном валу редуктора 5 установлен рычаг (сошка), который передает усилие на тяги рулевого привода. Увеличение крутящего момента оценивается по передаточному отношению iarm рулевого механизма. В зависимости от рулевого механизма передаточное число может быть фиксированным или переменным. У легковых автомобилей это соотношение составляет iarm = 12-20, у грузовиков iarm = 15-25.
Рис. 3. Система рулевого управления автомобилей с передней зависимой подвеской
Рулевая тяга обеспечивает передачу усилия от рулевой тяги, закрепленной на выходном валу 5 (вал сошки) рулевого механизма, к поворотным пальцам правого и левого рулевых колес. Конструкция рулевой системы в значительной степени зависит от типа подвески передних колес.
Система рулевого управления автомобиля с зависимой подвеской (рис. 3) состоит из: сошки 6, установленной на приводном валу 5 рулевого механизма; продольной тяги 7; рычага управления 9, установленного на левой поворотной цапфе 11. Поворот шарнира 11 вызывает одновременный поворот жестко соединенного с ним нижнего шарнира 12 и нижнего шарнира 12 правого шарнира 16, соединенного с ним поперечной тягой 13. Шарниры соединены с осевой балкой 15 штифтами 1О, закрепленными в осевой балке. Продольная штанга 7 соединена с сошкой и маятниковым рычагом шарнирами 8, нижние плечи дубинок — шарнирами 14 со штуцерами, регулирующими длину поперечины.
Система рулевого управления автомобиля с независимой подвеской колес (рис. 4) отличается тем, что поперечная тяга выполнена разъемной и состоит из двух боковых тяг 9, 10 и центральной тяги 4, шарнирно связанной с сошкой 3 и коромыслом 7. Вращение рулевого колеса вызывает вращение вала 2 сошки рулевого механизма 1 и закрепленной на нем сошки 3.
Рисунок 4: Система рулевого управления автомобилей с передней независимой подвеской.
Усилие от открывающего устройства передается на боковую тягу 1О и поворотный рычаг 6 левого шарнира 12 и на центральную тягу 4, поворотный рычаг 7, боковую тягу 9 и поворотный рычаг 8 правого шарнира 13. Все рычаги и тяги соединены шаровыми шарнирами. Кронштейн маятникового рычага 14 крепится к кузову транспортного средства.
Длина рулевых тяг 9 и 10 может изменяться с помощью резьбовых муфт 5 и 11 для регулировки угла наклона носка. Поворотные цапфы соединены с амортизаторами 16 штифтами 15. Стойки прикреплены к направляющим рычагам узла подвески. Система рулевого управления многих автомобилей дополнена усилителем руля, который снижает усилие на рулевом колесе при его повороте и повышает безопасность движения в случае повреждения колеса или шины.
Установка электрического или интегрированного гидравлического усилителя рулевого управления не требует внесения изменений в схему рулевого привода, поскольку интегрированные усилители рулевого управления позволяют увеличить усилие непосредственно на компонентах рулевого управления или на рулевом валу. Поэтому схема рулевого привода в данном случае определяется конструкцией подвески. В случае гидравлического усилителя рулевого управления раздельного типа компоненты усилителя рулевого управления согласованы с компонентами рулевого управления.
Принципиальная схема системы рулевого управления с раздельным усилителем и зависимой подвеской руля показана на рисунке 5.
Рисунок 5: Автомобильная система рулевого управления с индивидуальным усилителем руля
Гидравлический насос 15 гидроусилителя руля установлен на двигателе автомобиля, механизм управления (клапан) 4 на продольной тяге привода 7, корпус гидропривода 14 шарнирно соединен с корпусом переднего моста 11, а шток привода шарнирно соединен с поперечной тягой 1О. При вращении рулевого вала 1 сошка 3 рулевого механизма 2 воздействует непосредственно на поршень управляющего клапана 4, распределяя жидкость от насоса 15 в правую или левую полость привода 14. При повороте, например, вправо, продольная рулевая тяга 7 перемещается назад (НД — направление движения) путем поворота рычагов 8 и 9 по часовой стрелке.
Одновременно управляющий клапан 4 обеспечивает подачу жидкости к правой стороне привода 14. Сила давления жидкости действует на поршень привода, через шток поршня привода и поперечный шток поршня 1О на поворотные рычаги 9 левого 12 и правого 13 поворотных пальцев в направлении их вращения, увеличивая силу, действующую на привод. Левая часть (полость) цилиндра в этот момент соединена через управляющий клапан 4 со сливным трубопроводом 5, и жидкость при движении поршня без противодавления поступает в резервуар 6 гидронасоса.
Рисунок 6: Рулевое управление колесного транспортного средства с управляемой осью: NP — направление рулевого управления
Рулевой привод колесного транспортного средства с управляемой осью (тележкой) (рис. 6) может быть реализован без жесткого механического соединения между рулевым колесом и компонентами рулевого привода. Вращение рулевого вала 1 вызывает вращение сошки 2 рулевого механизма 3 и одновременно приводит в действие управляющий клапан 4, встроенный в рулевой механизм. Жидкость от гидравлического насоса 5 по трубопроводу высокого давления 7 поступает в соответствующее углубление одного из силовых цилиндров 8 и 9, корпус которого шарнирно соединен с рамой транспортного средства 10.
Штоки цилиндров шарнирно закреплены на оси 11, которая вращается вокруг шкворня 12. Например, при повороте «налево» жидкость из управляющего клапана 4 под давлением подается в верхнюю полость цилиндра 8 и нижнюю полость цилиндра 9. Сила давления жидкости воспринимается поршнями и передается через тяги на левую и правую оси вращения 11. Противоположные полости цилиндров соединены через управляющий клапан со сливными магистралями 13, по которым жидкость сбрасывается в бак 6.
4. Рулевые механизмы
Рулевые механизмы делятся на косозубые, червячные и зубчатые. Требования к конструкции рулевых механизмов довольно противоречивы. Передаточные числа рулевой передачи должны быть высокими, чтобы легко поворачивать управляемые колеса, но это увеличивает время, необходимое для поворота управляемых колес. Поэтому при фиксированном значении передаточного отношения Urm рулевого механизма его размер для легковых автомобилей ограничен диапазоном Urm = 12 …. 20, для грузовиков Urm = 15 … 25.
Рулевой механизм со сферическим червяком и роликом (рис. 7) характеризуется низким внутренним трением и, следовательно, высокой долговечностью и низким износом контактных поверхностей. Условия контакта между червяком и роликом практически неизменны при больших углах поворота червяка.
Рис. 7. Рулевой механизм с глобоидным червяком и роликом
Глобоидный червяк (глобоид — разновидность червяка) позволяет регулировать зацепление даже при относительно высоком износе. В картере 1 рулевого механизма на роликовом подшипнике 2 и подшипнике скольжения 3 установлен вал 4 сошки 5. В держателе вала 4 закреплена ось 6 треугольного вала 8. Вал вращается на игольчатых подшипниках 7. Гребни валов входят в зацепление с винтом сферического червяка 9, неподвижно сидящего на рулевом валу 10, который вращается на роликовых подшипниках 11. При вращении рулевого колеса червяк 9 и вал сошки 4 вращаются вместе с валом 8.
Ось ролика 6 смещена относительно оси червяка на величину Δ примерно (5…7) мм, что исключает люфт в зацеплении при износе детали. Люфт устраняется перемещением вала сошки вправо с помощью регулировочного винта 12, зафиксированного контргайкой 13. Люфт регулируется при прямом положении рулевых колес. Зазоры в конических роликовых подшипниках 11 устраняются путем уменьшения количества шайб 14.
Винто-гаечный рулевой механизм (рис. 8) — это комбинированный рулевой механизм с двухступенчатой передачей, отличающийся повышенным сроком службы. Изначально он использовался для тяжелых грузовиков.
Рисунок 8: Механизм рулевого управления «болт-гайка-колесо-колесо
В первой ступени комбинированного рулевого механизма вращение винта 1, жестко связанного с валом рулевого колеса, преобразуется в поступательное движение шариковой гайки 2, на наружной поверхности которой расположены зазубренные зубья шестерни 3. Вторая ступень механизма состоит из шестерни 3, находящейся в зацеплении с зубчатым сектором 4, закрепленным на валу сошки 5. Для повышения КПД механизма трение скольжения в гайке заменено трением качения с помощью шариков 6.
Болт 1 установлен в картере 9 рулевого механизма в двух конических подшипниках 10, натяг которых регулируется количеством шайб между картером 9 и крышкой 11. Регулировка зазора шестерня-сектор достигается перемещением вала сошки 5 вдоль оси вращения с помощью регулировочного болта 7, закрепленного контргайкой 8. Регулировка достигается конической формой и переменной толщиной шестерни и сектора.
Реечный (шестеренчатый) рулевой механизм (рис. 9) имеет простую конструкцию и применяется в основном на легковых автомобилях категории Ml. Редуктор состоит из шестерни 3, установленной на приводном валу 2, и шестерни 4. При вращении рулевого колеса шестерня 3 перемещает шестерню 4, с которой соединены боковые тяги 8 и 9 рулевого привода. Боковые рулевые тяги шарнирно соединены с рычагами управления 11, жестко установленными на стояках рулевого колеса. Корпус рулевого механизма 5 закреплен на корпусе 17 транспортного средства. Рулевой вал 2 с неподвижной шестерней 3 вращается в упорных шарикоподшипниках 12, установленных в картере 5.
Рисунок 9: Рулевой механизм с шестерней
Предварительный натяг (зазор) в подшипниках регулируется с помощью регулировочного кольца 6. К шестерне прижимается упор 14 с пружиной 15. Угол наклона колес регулируется длиной боковых тяг с резьбовыми соединениями 10 тяг 8 и 9 с шарнирами 16.
5. Привод рулевого управления
Рулевая тяга состоит из деталей и узлов, передающих рулевое усилие от выходного вала (вала сошки) рулевого механизма к точкам поворота. Детали и узлы рулевого управления включают сошку, продольные, поперечные и боковые тяги, шарнирные рычаги и точки поворота. Основными оцениваемыми параметрами привода являются угловой коэффициент iрн, коэффициент полезного действия iрн и жесткость привода ηрн.
Штанги, с целью снижения веса и придания жесткости приводу, изготовлены из бесшовных стальных труб (сталь 20, 30, 35). Рычаги поворотных дубинок, маятника и сошек являются ответственными деталями и изготавливаются методом ковки из конструкционной или легированной стали (40, 35Х, 40ХН).
Ответственные узлы привода — это соединения, в которых не допускаются зазоры. Шарниры (рис. 10) отличаются конструкцией устройств, компенсирующих износ поверхностей скольжения. Обычно используются самоустанавливающиеся шарнирные подшипники (рис. 10, a, c, e), в которых шарниры удерживаются предварительно нагруженной пружиной без люфта и с постоянной герметичностью.
Самоустанавливающиеся соединительные шарниры состоят из следующих основных конструктивных элементов: сферического пальца 1, губок 2 и 3, пружины сжатия 4 и уплотнительной втулки 7. Коническая поверхность гайки фиксирует палец в бобышке рычага 8. Кулаки устанавливаются на корпус шатуна 6. Плотный контакт между сферической поверхностью штифта и кулачками обеспечивается усилием пружины 4, которая сжимается крышкой 5. Крышка в корпусе шарнира может быть закреплена винтами (рис. 10, а) или приклепана к стенкам корпуса (рис. 10, в, д).
Регулируемые шарниры (рис. 10, б, г, д) обеспечивают возможность корректировки в случае износа сферических поверхностей пальца 1 и вкладышей 2 и 3. Для этого на одну из костяшек (рис. 10, б, е) опирается пружина 4, сжатие которой регулируется с помощью резьбовой крышки 5. Положение крышки фиксируется шплинтом или стопорной шайбой 9.
В шарнире (рис. 10, г) сферическая поверхность штифта 1 покрыта сферическими поверхностями костяшек 2 и 3. Торцевая поверхность внутренней костяшки 2 скошена под углом a. Между фланцем 2 и крышкой 10, отформованной в тяге 6, находится клин 11, нагруженный сжатой пружиной 4. Износ сопрягаемых поверхностей шарнира компенсируется смещением кулака 2 за счет перемещения клина 11 вверх под действием упругой силы пружины 4.
Когда возможное перемещение клина в процессе работы будет исчерпано и зазор Δ станет равным нулю, клин возвращают в исходное положение с помощью штифта 9. При этом пружина 4 сжимается и зазор Δ вновь регулируется с помощью резьбовой пробки 5. Направление усилия пружины может совпадать с осью штифта (рис. 10, а, в, е) или быть перпендикулярным оси штифта (рис. 10, б, г, д).
Рисунок 10: Схемы поперечных и продольных шарниров: a, b, c — поперечный шарнир; d, e, f — продольный шарнир.
Шарниры с пружиной, перпендикулярной оси пальца, используются в рулевых механизмах средних и тяжелых автомобилей. Существенным недостатком этого типа соединения является то, что сила пружины должна быть значительно больше, чем силы, действующие вдоль оси звена во время вращения. Это снижает долговечность вставок петель.
Шарниры с пружиной, действующей вдоль оси шарового пальца, лишены этого недостатка. Кроме того, конструкция шарнира устраняет поперечные колебания колеса, вызванные деформацией пружины. Усилие пружины в этих шарнирах может быть меньше максимального усилия пружины, причем значение усилия пружины выбирается из условия отсутствия люфта при любых условиях движения. Для этого достаточно, чтобы выполнялось неравенство Fnp > Fj, где Fnp — сила пружины, Fj — максимальное значение вертикальной силы инерции, возникающей при наезде колеса на неровность дороги.
При независимой подвеске колес система рулевого управления должна предотвращать самопроизвольное вращение колеса во время его перемещения в вертикальной плоскости по направляющим аппарата подвески. В случае независимой подвески невозможно использовать одну поперечную тягу, поскольку радиус качения колеса по поперечной оси значительно меньше радиуса качения поперечной тяги, что приводит к несоответствию кинематических траекторий колеса и наконечника тяги. Для предотвращения этого центры качения колеса и тяги должны совпадать как можно ближе, что достигается использованием разъемной трехкомпонентной поперечной тяги.
В случае с прицепным рычагом приводные элементы крепятся к балке переднего колеса и перемещаются вместе с ней без изменения относительного положения приводных элементов.
6. Усилители рулевого управления
Системы гидроусилителя руля используются для помощи в управлении автомобилями и повышения безопасности вождения. Усилитель рулевого управления в основном гидравлического типа, но в последние годы в легковых автомобилях стали использоваться системы с электрическим усилителем руля.
К бустерам предъявляется ряд особых требований: автомобиль должен оставаться управляемым при отказе усилителя, усилие на руле должно возрастать с увеличением сопротивления рулевого управления, но не должно превышать значений, указанных в правилах (0,1…0,15)кН, обязательным является прицепное действие с минимальной задержкой срабатывания.
Гидравлические усилители делятся на два типа по конструкции: интегральные, также известные как всепозиционные, и раздельные. Гидравлические усилители обеспечивают гидростатическую тягу таким образом, что углы поворота руля и рулевого колеса пропорциональны, а моменты сопротивления руля пропорциональны моментам сопротивления руля и рулевого колеса.
Отдельный гидроусилитель руля (рис. 11) состоит из насоса 14 с масляным бачком 15, управляющего клапана 1 ползункового типа, установленного на продольной тяге 6, и привода 8, шток 17 которого соединен с цапфой шарнирного рычага, а корпус привода — с осевой балкой 16.
Рис. 11 Принципиальная схема бустера раздельного типа
Регулирующий клапан соединен нефтепроводами с полостями А и Б привода, нагнетательной 2 и сливной 3 полостями насоса 14. Внутри корпуса регулирующего клапана 1 расположен золотник 7 с тремя уплотнительными кромками. В левой и правой хорде имеются отверстия 4, соединяющие полости a и 6 с реакционными камерами c и d регулирующего клапана.
В нейтральном положении золотник 7 центрируется пружинами 11 и 12. В этом положении нагнетательная масляная магистраль 2 сообщается через полости а, б, трубопроводы 9 и 1О с полостями цилиндров А и Б и со сливной магистралью 3. Давление жидкости в соседних полостях цилиндров низкое, поршень цилиндра 8 почти уравновешен.
При повороте рулевого колеса (влево) шток 13 перемещает золотник 7 вперед (на рисунке — вправо), центрирующая пружина 12 сжимается, камера б отсоединяется от слива и соединяется со сливной магистралью 2. В полость цилиндра Б подается жидкость под давлением, а полость А соединяется со сливной магистралью 3. Сила давления жидкости, действующая на поршень цилиндра 8, воздействует на поворотный рычаг и способствует повороту колеса 5 (влево). Пружины 11 и 12 определяют усилие срабатывания усилителя. Чем больше усилие предварительно сжатой пружины, тем больше усилие на штоке упора, тем больше смещение золотника и начало работы бустера.
Давление в силовом цилиндре зависит от момента сопротивления колес. Поэтому давление в камерах a и b и сообщающихся с ними реактивных камерах c и d также изменяется пропорционально сопротивлению качению. Сила давления жидкости, действующая на активную поверхность золотника в камере реакции, может быть уравновешена только силой, действующей от продольной тяги 13. Поэтому изменение давления в приводе приводит к изменению усилия управления. Когда вращательное движение прекращается, рулевые колеса остаются в заданном положении, так как корпус распределителя продолжает перемещаться относительно золотника под действием привода и фиксируется в нейтральном положении пружинами 11 и 12.
Усилитель также может действовать под воздействием сил, передаваемых от колеса. Посредством жесткой обратной связи колесо 5, вращаемое внешним воздействием через поворотный рычаг и шток 6, перемещает корпус 1 относительно неподвижной катушки. Давление в соответствующих камерах распределителя и силового цилиндра увеличивается, препятствуя вращению колес.
Встроенный гидравлический усилитель рулевого управления (интегрированный) установлен вместе с корпусом рулевого механизма. Корпус рулевого механизма 2 (рис. 12) крепится к корпусу рулевого механизма 1. Болт рулевого механизма 3 опирается на: шаровую гайку 4, закрепленную в поршневой стойке 5 и подшипник 6, установленный в корпусе рулевого механизма 2.
Рисунок 12: Принципиальная схема интегрального усилителя.
На болте 1 между радиально-упорными шарикоподшипниками 7 и 8 установлен золотник 9, отцентрированный относительно корпуса 2 с помощью реактивных штифтов 10, 11 и центрирующей пружины 12. Верхние части плунжерных поверхностей 10, 11 упираются в выступы корпуса 5, а нижние — во внутренние кольца 13, 14 подшипников 7 и 8 соответственно.
Углубления a и 6 распределительного механизма соединены с углублениями A и B цилиндра бустера через шланги высокого давления I и III соответственно. Шланг высокого давления II подсоединяется к нагнетательной полости, шланг IV (нагнетательный) подсоединяется к резервуару бустерного насоса.
В нейтральном положении рулевого колеса (рис. 12) полости цилиндров гидроусилителя A и B соединены с нагнетательной магистралью IV через полости a и 6 распределительного механизма. Усилие, действующее на поршень стойки, минимально.
При повороте рулевого колеса, например, вправо, винт 3, соединенный с рулевым валом, вращается по часовой стрелке, и в течение определенного, очень короткого времени минимального замедления поршень 5 остается неподвижным из-за сопротивления колес, а винт 1 отвинчивается от шариковой гайки 4, сжимая центрирующую пружину 12. Таким образом, золотник 9 перемещается вправо вдоль оси на величину зазора Δ между внутренним кольцом подшипника 7 и корпусом золотника 2. Центральная уплотнительная кромка золотника 9 отделяет полость b распределительного механизма от напорной трубки 11.
Масло под давлением подается в полость А привода через линию 11, полость а распределителя, линию I. Давление масла действует на торцевую поверхность поршня звездочки и способствует вращению рулевых колес. В то же время противоположная полость B привода сообщается с дренажной линией IV через полость b распределителя. Вместе с поршнем-шестерней 5 перемещается винт 3 и закрепленный на нем распределительный золотник 9. Таким образом, усилитель руля работает до тех пор, пока водитель, поворачивая рулевое колесо, удерживает винт вместе с распределительным золотником в перемещенном положении.
Прекращение поворота рулевого колеса быстро возвращает золотник в исходное положение, где он неподвижен под действием реактивных штифтов и центрирующих пружин. В этом случае угол поворота будет соответствовать углу поворота рулевого колеса. Давление жидкости действует на внутренние поверхности реактивных плунжеров, поэтому при увеличении сопротивления рулевого управления давление жидкости увеличивается, одновременно увеличивая силу, действующую на реактивные плунжеры, и усилие, необходимое для поворота рулевого колеса. Однако действие слежения за силой в этом типе усилителя менее выражено, поскольку изменение крутящего момента, хотя и напрямую зависит от величины осевой силы, преобразуется в крутящий момент с помощью подшипников качения, которые имеют незначительные коэффициенты трения.
Насос лопастного типа. Давление масла в системе гидроусилителя руля создается лопастным насосом двойного действия (Рисунок 13). На ступице установлен шкив ременной передачи, соединенный с валом ротора 5 сегментной шпонкой.
Рисунок 13: Насос гидроусилителя руля
Корпус насоса (статор) имеет полость 3, поперечное сечение которой имеет эллиптическую форму. При вращении ротора 5 масло поступает из резервуара 2 через фильтр в полость насоса 3, лопатки 4 под действием центробежных сил выводятся из зазора ротора и прижимаются к внутренним криволинейным поверхностям статора и давлением масла прижимаются к поверхностям зазора ротора. Между соседними лопатками образуются полости разного объема, из которых масло вытесняется в полость статора, а затем в нагнетательную полость насоса 11.
Эксплуатация бустера должна сопровождаться постоянством основных параметров рабочего органа — подачи масла (расхода) и давления. Выполнение этих условий обеспечивает адекватное управляющее воздействие во всех режимах движения и условиях эксплуатации. Постоянные значения подачи (расхода) и давления масла поддерживаются перепускным клапаном насоса 6 и предохранительным клапаном 7. Масло поступает через калиброванные отверстия 10 и 9 в полость D.
Давление масла воздействует на перепускной клапан 6 с обеих сторон. Однако давление в полости D всегда ниже, чем давление в полости B, из-за дросселирования масла в калиброванных отверстиях (дросселях) 9 и 10. Разница давлений в полостях B и D увеличивается с ростом скорости вращения ротора и потока масла. Давление pv в полости B всегда больше, чем давление pg в полости D, pv > pg . Поэтому, когда насос достигает расчетного расхода, перепускной клапан 6 открывается (перемещается вправо) и часть масла перетекает по каналу D из нагнетательной камеры во всасывающую камеру насоса — масляный бак. В корпусе 8 установлен шаровой клапан 7, герметизирующий перепускной клапан 6. Клапан 7 открывается при давлении в нагнетательной линии около 7 МПа и ограничивает максимальное давление в системе.
Электроусилитель руля (EPS), несмотря на отсутствие электричества в системе питания, нашел свое применение практически во всех типах легковых автомобилей. Основные преимущества электрического усилителя рулевого управления перед гидравлическим включают следующее
- Независимость работы усилителя от оборотов двигателей автомобиля;
- Информативное значение (регулировка характеристик усилителя руля в зависимости от скорости автомобиля);
- Независимость работы гидроусилителя руля от температуры окружающей среды;
- Экономичность (гидроусилитель потребляет энергию только при повороте рулевого колеса);
- КПД двигателя значительно выше, чем у гидравлического насоса;
- Высокая надежность (отсутствие шлангов, ремней, уплотнений, прокладок;
- Не требует обслуживания (замена, подача рабочей жидкости); Обладает высокой симметричностью (нет разницы в крутящем моменте при левом и правом повороте руля).
CPS в основном используется на автомобилях с реечным рулевым управлением. В этом случае привод рулевой рейки может быть «параллельным» или «последовательным». Конструкция реечной системы рулевого управления с параллельным приводом рулевой рейки показана на рисунке 14.
Конструкция реечного рулевого механизма включает в себя: асинхронный электродвигатель 6, объединенный с редуктором, на выходном валу которого закреплена шестерня 7, рулевое колесо с рулевым валом 1, на котором закреплена шестерня 3 рулевого механизма. Шестерни 3 и 7 входят в зацепление с рулевой рейкой 8. Работой электродвигателя 6 управляет бортовой компьютер (контроллер), который по сигналам от датчиков: 2 — угол поворота рулевого колеса и 4 — крутящий момент на рулевом колесе, формирует сигнал управления приводом, который регулирует ток и его полярность в обмотках электродвигателя.
5
Рисунок 14: Схема реечного рулевого механизма с ESC
Устройство технически объединяет механическую и электрическую части в единое целое. Производительность системы гидроусилителя руля может меняться в зависимости от скорости автомобиля, так как соответствующие алгоритмы управления хранятся в процессоре, в блоке памяти.
В зависимости от общей массы автомобиля и его конфигурации электроусилитель руля может быть включен в различные схемы рулевого управления. На рисунке 15 показана базовая «классическая» система электроусилителя руля. Схема электроусилителя руля (рис. 15, a) в основном используется в автомобилях с небольшой разрешенной массой. В данном случае усилитель 2 интегрирован в рулевую колонку 1. Усилитель 2 представляет собой моноблочную конструкцию, объединяющую электродвигатель, червячный редуктор и электронную систему управления.
На рулевом валу установлена редукторная шестерня, к которой присоединен промежуточный вал 3, приводящий в движение рулевую шестерню 4. Система рулевого управления (рис. 15, б) применяется на легковых автомобилях «среднего класса» полной массой до 2000 кг. Рулевой вал освобождается от крутящего момента, создаваемого гидроусилителем руля. Система (Рисунок 15, c) в основном используется для автомобилей с большей полной массой и фургонов.
Рисунок 15. Варианты системы
В этой версии усилитель рулевого управления интегрирован в рулевую рейку. Крутящий момент передается от ротора электродвигателя на рулевой механизм типа винт/шариковая гайка/ракета. Следящее устройство 5 и блок управления 6 обеспечивают следящее действие бустера.
