Рулевое управление служит для обеспечения движения автомобиля в заданном водителем направлении и является системой, в значительной степени, отвечающей за безопасность дорожного движения. Поэтому к нему предъявляются высокие требования. Рулевое управление должно обеспечивать: качение колес автомобиля без бокового скольжения, их способность возвращаться в исходное положение и сохранять заданное направление движения, минимальный радиус поворота автомобиля, малое усилие на рулевом колесе и снижение обратных воздействий от управляемых колес, высокую надежность работы. Рулевое управление состоит из рулевого колеса, жестко закрепленного на рулевом валу, рулевого механизма и рулевого привода.
Рулевой вал соединяет рулевое колесо с рулевым механизмом и часто выполняется шарнирным, что позволяет более рационально компоновать элементы рулевого управления и изменять положение рулевого колеса. Кроме того, шарнирный рулевой вал повышает травмобезопасность рулевого колеса при авариях, уменьшая перемещение рулевого колеса внутрь салона, тем самым снижая степень его воздействия на грудную клетку водителя. С этой же целью в рулевой вал иногда встраивают сминаемые элементы, а рулевое колесо покрывают относительно мягким материалом, не дающим при разрушении острых осколков.
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, «тяжелый» и малоинформативный руль. Поэтому самый распространенный на сегодняшний день - реечный рулевой механизм. Малая масса, компактность, невысокая цена, минимальное количество тяг и шарниров - все это обусловило его 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. Что бы избавиться от минусов, присущих механическим рулевым рейкам, к ним со временем стали добавлять механизмы, получившие название усилители рулевого управления. Применение усилителя обеспечивает точность и быстродействие рулевого управления, снижает общую физическую нагрузку на водителя, а также позволяет устанавливать рулевые механизмы с меньшим передаточным числом. В зависимости от типа привода различают следующие виды усилителей рулевого управления: гидравлический, электрический и пневматический. Усилитель рулевого управления, в котором поворотное усилие изменяется в зависимости от скорости автомобиля, называется адаптивным усилителем рулевого управления.
Рулевой привод представляет собой систему тяг и шарниров, связывающих рулевой механизм с управляемыми колесами. Поскольку рулевой механизм закреплен на несущей системе автомобиля, а управляемые колеса при движении перемещаются на подвеске относительно несущей системы, рулевой привод обязан обеспечить необходимый угол поворота колес независимо от вертикальных перемещений подвески (согласованность кинематики рулевого привода и подвески). В связи с этим конструкция рулевого привода, зависит от типа рулевого механизма и применяемой подвески автомобиля. Для смягчения рывков и ударов, которые передаются на рулевое колесо при движении по неровной дороге, в рулевой привод иногда встраивают гасящие элементы — амортизаторы рулевого управления.
Рулевое управление с гидравлическим усилителем (ГУР)
Наибольшее распространение в современных автомобилях, получили реечные механизмы с гидравлическим усилителем рулевого управления. Название рулевого механизма "рулевая рейка" произошло от названия механизма "шестерня - рейка". Такое конструкторское решение оказалось достаточно удачным, и управление колёсами на основе реечной передачи на сегодняшний день получило самое широкое распространение в легковых автомобилях. В рулевой рейке усилие к колесам передается с помощью прямозубой или косозубой шестерни, установленной в подшипниках, и зубчатой рейки, перемещающейся в направляющих втулках. Для обеспечения надежного зацепления, рейка прижимается к шестерне пружиной. Шестерня рулевого механизма через карданное соединение (промежуточный вал) соединяется с рулевым валом и рулевым колесом, а зубчатая рейка через рулевые тяги и рулевые наконечники - с поворотными цапфами. Рулевая рейка с гидравлическим усилителем отличается от механической рейки наличием гидравлического распределителя и исполнительного механизма – гидроцилиндра. Золотниковый распределитель гидравлических потоков (клапанный механизм) конструктивно размещён на валу ведущей шестерни и управляется при помощи следящего устройства (торсиона) соединяющего части золотника. Исполнительный механизм гидравлического усилителя рулевого управления (гидроцилиндр) может быть отдельно вынесенным либо встроенным в корпус рулевой рейки. Во втором случае, получившем наибольшее распространение, зубчатая рейка и шток гидроцилиндра, с накатанным на него поршнем, представляют собой одно целое и получили название – зубчатый вал гидравлической рулевой рейки.
Система гидравлического усиления рулевого управления (ГУР) включает в себя помимо рулевой рейки с гидравлическим распределителем и гидроцилиндром, гидравлический насос, расширительный бачок, систему трубок высокого давления и шлангов. Насос, приводимый ремнем от коленчатого вала, подает гидравлическую жидкость из расширительного бачка ГУР в распределитель рулевой рейки. Когда автомобиль стоит или движется по прямой, руль находится в покое, торсион не закручен, левый и правый силовые каналы распределителя закрыты, канал слива полностью открыт, давление в системе минимальное, гидравлическая жидкость по обратной магистрали возвращается в расширительный бачок. Когда водитель начинает поворачивать рулевое колесо, то из-за возникшего сопротивления управляемых колес автомобиля, торсион гидравлического распределителя начинает закручиваться, вместе с ним открывается левый или правый канал гидравлического распределителя и перекрывается канал слива. Давление в системе возрастает, гидравлическая жидкость толкает поршень, и шток гидроцилиндра приходит в движение, поворачивая управляемые колеса в нужную сторону. Давление в системе и, соответственно, усиление возрастает в зависимости от сопротивления управляемых колес и достигает максимального значения, когда колеса полностью вывернуты. В этот момент срабатывает предохранительный клапан насоса ГУР, открывая каналы возврата гидравлической жидкости обратно в расширительный бачок, тем самым сбрасывая излишнее давление в системе и предохраняя детали рулевого механизма от повреждения. Если при выходе из поворота перестать удерживать рулевое колесо, то торсион распределителя возвращается в нейтральное положение, тем самым полностью открывая канал слива и запирая силовые каналы, давление гидравлической жидкости в системе падает, не препятствуя возврату управляемых колес в центральное положение, и автомобиль возвращается к прямолинейному движению. В случае бокового воздействия сторонних сил на управляемые колеса при наезде на препятствие, возникающее при этом усилие, через поворотные цапфы, рулевые наконечники, рулевые тяги, зубчатый вал и шестерню начинает закручивать торсион гидравлического распределителя, перекрывая канал слива и открывая канал подачи гидравлической жидкости в полость гидроцилиндра. Давление в системе возрастает, и гидравлическая жидкость толкает поршень в направлении, противоположном внешнему воздействию, уравновешивая его.
Таким образом, помогая водителю осуществлять маневрирование, система ГУР препятствует самопроизвольному повороту управляемых колес при воздействии внешних сил.
К недостаткам систему ГУР принято относить потерю отзывчивости и информативности рулевого управления, нехватку реактивного усилия на руле, которое опытным водителям и профессиональным гонщикам помогает чувствовать машину и проходить повороты на максимально возможной скорости. Однако, систему можно настроить практически под любые требования, просто абсолютному большинству потребителей гораздо важнее комфорт и безопасность.
Система ГУР, в целом, достаточно надёжная, обслуживание обычно сводится лишь к регламентной замене приводного ремня роликов и натяжителя и контролю уровня рабочей гидравлической жидкости в бачке.
23 января 2018