Автолюбителю

Легковые автомобили

Учебное пособие для средней школы

5.2. Рулевое управление

Общее устройство и требования, предъявляемые к рулевому управлению. Рулевое управление служит для изменения и сохранения направления движения машины. На большинстве легковых автомобилей изменение направления движения осуществляется поворотом управляемых колес. Обычно управляемыми являются передние колеса автомобиля. В последние годы начали распространяться конструкции легковых автомобилей с четырьмя управляемыми колесами.

Конструкция рулевого управления легкового автомобиля состоит из двух основных частей: рулевого механизма (рулевой передачи) и рулевого привода. На тяжелых и дорогих автомобилях в системах рулевого управления применяют усилители.

Общее устройство рулевого управления без усилителя показано на рисунке 5.2. Рулевое колесо 1 посажено на верхнем конце рулевого вала 3, установленного в рулевой колонке 2. Рулевой вал 3 соединен с рулевой передачей (рулевым механизмом) 4 или 7. Рулевая передача приводит в движение поперечную тягу 6, которая обеспечивает поворот управляемых колес. Максимальный угол поворота рулевого колеса лежит в пределах 540... 720° (1,5... 2,0 оборота). В качестве рулевого механизма используют червячную 4 или реечную 7 зубчатые передачи. Рычаги, которые осуществляют поворот управляемых колес, относят к рулевому приводу. Они соединяются друг с другом шарнирами и образуют рулевую трапецию (см. рис. 5.3).

На первых автомобилях не было рулевого колеса, поворот производился с помощью поводков и рычагов с рукоятками. Например, на гоночном автомобиле Г. Форда «Стрела» в 1904 г. был установлен рычаг с двумя рукоятками. Вначале применяли рулевые колонки с полукольцом, на котором закрепляли две рукоятки. На следующих моделях рукоятки исчезли, полукольцо замкнули и превратили в рулевое колесо.

Рулевая трапеция появилась раньше рулевого колеса. Трапеции применялись для поворота колес еще на паровых автомобилях, например на паровой повозке А. Болле (1875—1880). Конструкция рулевой трапеции значительно изменилась после применения независимой подвески колес, для установки которой пришлось расчленить поперечную тягу и установить дополнительные шаровые шарниры. Однако, когда на легковых автомобилях появилась подвеска «качающаяся свеча», поперечную тягу удалось упростить.

Значительно более сложные рулевые приводы имеют полноприводные автомобили, у которых число рычагов и шарниров практически удваивается. В настоящее время на многих легковых автомобилях применяют рулевое управление с гидравлическими усилителями.

Рулевое управление является системой, в значительной степени обеспечивающей безопасность движения автомобиля. Поэтому к нему предъявляются высокие требования. Оно должно обеспечивать:

качение колес автомобиля без бокового скольжения;

способность колес самовозвращаться в исходное положение и сохранять заданное направление движения;

минимальный радиус поворота автомобиля;

малое усилие на рулевом колесе и минимальную передачу обратных воздействий от управляемых колес к рулевому колесу;

обратную связь между управляемыми колесами и водителем;

высокую надежность работы.

Поворот управляемых колес. Качение колес без бокового скольжения. При изменении направления движения автомобиля качение всех его колес не должно иметь бокового скольжения. Иначе может произойти занос машины и потеря устойчивости и управляемости.

Для выполнения требования качения без. бокового скольжения необходимо, чтобы управляемые колеса поворачивались на разные углы. На рисунке 5.3, а показана схема поворота автомобиля с передними управляемыми колесами. Разные углы поворота управляемых колес обеспечиваются работой рулевой трапеции 2 — системы рычагов с шарнирам», связыва-ющей управляемые колеса. Колеса поворачиваются вокруг осей поворота 1 на разные по величине наружный 9Н и внутренний Эв углы. Внутренний угол 0В больше наружного 8Н, и все четыре колеса автомобиля катятся по концентрическим окружностям с центром т. О без бокового скольжения. Т.О называется центром поворота. Основным показателем рулевого управления автомобиля служит минимальный радиус поворота Н„цп- Радиус определяют как расстояние от центра поворота т. О до наружного края колеса. Чем меньше Rmin, тем лучше поворачивается машина. Минимальный радиус поворота зависит от углов поворота управляемых колес 6, а также от базы L и колеи В автомобиля. У машин с короткой базой минимальный радиус поворота невелик. Для того чтобы углы поворота управляемых колес были больше 30... 40°, необходимо предусмотреть большие объемы под крыльями колес. Увеличение объема, занимаемого колесами, снижает полезную площадь передней и задней частей кузова. У легковых автомобилей «ВАЗ-2108», «АЗЛК-2141» и «ЗАЗ-1102» Rmin = 5 м, у короткобазного автомобиля «ВАЗ-1111» («Ока») /?т,-„ = 4,6-м, а у длиннобазных «Газ-3102» («Волга») Rmin = 5,9 м и у «ЗИЛ-4104» #m,-n = 7,6 м.

Значительно уменьшить минимальный радиус поворота можно, используя схему со всеми управляемыми колесами (рис. 5.3, б). Все колеса автомобиля могут катиться по двум концентрическим окружностям: наружной и внутренней. В условиях бездорожья колеса автомобиля прокладывают не четыре, а две колеи. При этом существенно снижается сопротивление движению машины. Однако на большой скорости движения одновременный поворот передних и задних колес приводит к потери устойчивости, заносу машины.

Для того чтобы избежать потери устойчивости, предусматривают задержку поворота задних управляемых Колес, т. е. их поворот осуществляется с запаздыванием по сравнению с поворотом передних колес.

Конструкция рулевого управления автомобилем со всеми управляемыми колесами значительно усложнена. На таких автомобилях приходится применять сложные автоматизированные системы рулевого привода.

Представленные на рисунке 5.3, а, б схемы соответствуют повороту жестких колес автомобиля без учета работы пневматической шины. В действительности при всяком изменении направления движения происходит боковой увод шин (см. рис. 4.8), и на рисунке 5.4. показаны схемы поворота автомобиля при наличии бокового увода шин. Если все четыре колеса имеют одинаковый угол бокового увода б (рис. 5.4,а), то центр поворота смещается из т. О в т. О\, при этом траектория поворота сохраняется. Если углы бокового увода шин передней и задней осей автомобиля разные, то происходит изменение траектории движения. На рисунке 5.4, б представлен случай, когда углы увода шин передней оси больше углов увода шин задней оси. При смещении центра поворота увеличивается радиус поворота автомобиля. В этом случае машина обладает недостаточной поворачиваемостыо. Чтобы удержать автомобиль на заданном направлении движения, водителю необходимо повернуть рулевое колесо на дополнительный угол. Если угол бокового увода шин задних колес больше, чем передних (рис. 5.4, в), то радиус поворота уменьшается. Автомобиль приобретает излишнюю поворачи-ваемость, и при большой скорости движения на скользких дорогах это может привести к заносу, потере управляемости. Излишняя поворачиваемость более опасна, чем недостаточная.

Наличие бокового увода шин требует строгого выполнения правил их установки. Если на автомобиле используются шины разной конструкции, то они должны устанавливаться только парами по осям машины. Опыт показывает, что установка одной шины иной танструкции, чем остальные три, резко ухудшает управлямость как задне-, так и переднеприводных автомобилей.

При одинаковых боковых силах, действующих на колеса, податливость протектора, а следовательно, и угол бокового увода у радиальных шин значительно меньше, чем у диагональных. Это объясняется наличием в радиальных шинах слоев металлокорда, опоясывающих каркас шины по окружности (см. рис. 4.5, б). Металлокорд ограничивает смещение протектора. Использование радиальных шин на задних колесах, а диагональных — на передних приводит к излишней поворачиваемости автомобиля.

Излишняя поворачиваемость возникает и при разном давлении сжатого воздуха в шинах. Чтобы этого избежать, нужно повысить давление в шинах задней оси автомобиля. Резкое ухудшение управляемости наступает при повороте автомобиля со спущенными шинами передних колес.

Углы установки управляемых колес. Силы, действующие на автомобиль, стремятся отклонить управляемые колеса от исходного положения, изменить прямолинейное движение. Во избежание поворота управляемых колес под действием внешних сил необходимо наличие их стабилизации, т. е. способности возвращаться в исходное положение без участия водителя. Чем лучше стабилизация колес, тем легче управлять автомобилем, выше безопасность движения и меньше износ шин. На легковых автомобилях стабилизация управляемых колес осуществляется за счет наклона оси поворота колес в поперечной и продольной плоскостях, а также упругих свойств пневматической шины. Поперечный наклон оси поворота (рис. 5.5, а) под углом (J при повороте колеса вызывает подъем передней части автомобиля на высоту h. Если отпустить рулевое колесо, то под действием силы тяжести передней части машины колеса возвратятся в исходное положение. При продольном наклоне оси поворота (рис. 5.5, б) под углом у возникает плечо а, на котором действуют внешние боковые силы, способствующие возврату колеса в исходное положение.

Углы наклона оси поворота управляемых колес в поперечной плоскости достигают 10... 15°. Например, у автомобилей «АЗЛК-2141» р = 13°20', «ЗАЗ-1102» р = 15°, «ВАЗ-2121» р = 11°30'. Углы наклона оси поворота в продольной плоскости значительно меньше и составляют 1... 4°. У автомобилей «ВАЗ-2121» у = 3°30',«ВАЗ-2108»,-2109»у = 1°30/,«ВАЗ-2105» у=А°

Во время эксплуатации легковых автомобилей поперечный наклон оси поворота управляемых колес не регулируют: Этот наклон обеспечивается конструкцией направляющего устройства подвески. Продольный наклон оси поворота регулируют с помощью шайб, установленных в элементах конструкции подвески колес.

Поворот автомобиля связан с силами сопротивления и.тяги, которые действуют на управляемые колеса (рис. 5.6). У заднеприводных автомобилей (рис. 5.6, а) силы сопротивления приложены к управляемому колесу в зоне контакта с поверхностью дороги (т. Л). Сила, которая толкает колесо и заставляет его вращаться, приложена в т. В на оси Поворота колеса. Наличие плеча АВ приводит к повороту управляемых колес в направлении S. В результате действия сил в т. А и В поворотные рычаги и поперечная рулевая тяга подвергаются сжатию. Если силы справа и слева одинаковые, то автомобиль сохраняет прямолинейное движение. При нарушении равенства сил, например при наезде одним колесом на неровность дороги, автомобиль может изменить направление движения. Силы, приложенные в т. Л и В, вызывают расхождение колес относительно продольной оси автомобиля.

В переднеприводных автомобилях (рис. 5.6, б) под действием силы тяги (т. А) происходит схождение колес. Чтобы уменьшить влияние сил тяги и сопротивления на схождение или расхождение управляемых колес в горизонтальной плоскости, необходимо уменьшить плечо / с помощью изменения сочетания угла развала и поперечного наклона оси поворота управляемых колес (рис. 5.7). Для создания наименьшего сопротивления движению, уменьшения износа шин и снижения расхода топлива управляемые колеса должны катиться в вертикальных плоскостях, параллельных продольной оси автомобиля. С этой целью управляемые колеса устанавливают на автомобиле с развалом в вертикальной и со схождением в горизонтальной плоскостях (рис. 5.7, а, б). Угол развала необходим, чтобы обеспечить перпендикулярное расположение колес по отношению к поверхности дороги при деформациях деталей подвески. Развал вызывает стремление колеса катиться по дуге вокруг т. О (рис. 5.7, а). Для устранения этого явления колеса можно устанавливать со схождением, т. е. непараллельно друг другу, подгнекоторым углом к продольной оси автомобиля (рис. 5.7, б). Угол схождения определяется разностью расстояний между колесами А и Б, которые измеряют сзади и спереди по краям ободов.

Развал и сход управляемых колес взаимосвязаны и компенсируют друг друга. Величины углов развала и схода окончательно определяются по результатам испытаний автомобилей.

У автомобилей «ВАЗ-2121» и :2105» углы установки управляемых колес составляют: развал 0°3(У, схождение 2... 4 мм. У переднеприводных автомобилей «ВАЗ-2108» и -2109» развар колес составляет ± 30', схождение ± 1мм. Разные углы установки колес переднеприводных и заднепрйводных автомобилей связаны с конструкцией подвески.

Углы установки управляемых колес периодически контролируют и тщательно регулируют.

Снижение усилий на рулевом колесе. Малое усилие на рулевом колесе (легкость управления) обеспечивается передаточным числом рулевого механизма и его КПД. Желательно, чтобы КПД механизма был разным в прямом (при передаче усилий от рулевого колеса) и обратном (при передаче усилий от управляемых колес) направлениях, тогда за счет потерь на трение в обратном направлении удается уменьшить толчки и удары от управляемых колес. Существенно уменьшить КПД в обратном направлении можно, применяя червячные рулевые механизмы. Снизить нежелательные воздействия на рулевое колесо со стороны управляемых колес можно, уменьшив плечо обкатки (см. рис. 5.7), установив специальные амортизирующие устройства в рулевом механизме.

Большое значение для работы рулевого управления имеют передаточные числа рулевого механизма и привода. Передаточное число рулевого механизма определяют как отношение угла поворота рулевого колеса к углу поворота сошки или к ходу рейки. Рулевые механизмы легковых автомобилей имеют передаточные числа около 20. От передаточного числа рулевого механизма зависят усилия, прилагаемые водителем к рулевому колесу, они изменяются в пределах 60... 120 Н. Ограничение минимального усилия на рулевом колесе необходимо, чтобы водитель при управлении машиной не терял обратной связи с колесами, т. е. «чувство дороги».

Передаточное число рулевого привода равно отношению плеч рычагов рулевой трапеции. Положение рычагов в процессе поворота изменяются, поэтому передаточное число привода переменно и лежит в пределах 0,85... 1,5.

Конструкции рулевых управлений легковых автомобилей. На таблице XI цветной вклейки показана конструкция рулевого управления с реечным рулевым механизмом. В рулевой механизм входят рулевое колесо, рулевой вал и рулевая пара, состоящая из шестерни и зубчатой рейки. Рулевое колесо / через гасящие (амортизирующее) устройство 2, обеспечивающее травмо-безопасность в результате деформации, установлено на верхнем конце рулевого вала 3, который вместе с рулевой колонкой 4 крепится к кузову автомобиля. Нижний конец рулевого вала 3 через эластичную муфту 5 соединен с рулевой передачей 6., Шестерня 7 находится в зацеплении с зубчатой рейкой 8, которая прижимается к шестерне через упор 9 с пружиной, обеспечивающий беззазорное зацепление шестерни с зубчатой рейкой. Одним концом рейка опирается на упор 9, а другим концом установлена в разрезной втулке 10. Рулевые тяги // крепятся к рейке двумя болтами 12.

Рулевой привод состоит из двух рулевых тяг 11 а поворотных рычагов 13 телескопических стоек подвески. Рулевые тяги изготовляются составными. Каждая тяга состоит из двух наконечников, соединенных между собой регулировочной трубчатой тягой 14. Такое соединение рулевых тяг позволяет изменять их длину при регулировании схождения управляемых колес. Рулевые тяги 11 соединены с поворотным рычагом 13 шаровым шарниром 15.

Реечные рулевые механизмы установлены на «ВАЗ-2108», -2109», «ЗАЗ-1102», «ВАЗ-1111» («Ока»). Достоинством реечных рулевых механизмов является простота конструкции, высокий КПД (0,9... 0,95), малая стоимость. С их использованием значительно упрощается конструкция рулевого привода при независимой подвеске управляемых колес (подвеска «качающаяся свеча»). Однако реечные механизмы имеют высокий КПД и в обратном направлении, и толчки со стороны дороги, которые передаются на рулевое колесо, в некоторой степени поглощаются в результате трения рейки и упора. (На автомобилях высокого класса применяют рулевой усилитель, который поглощает толчки и удары со стороны дороги).

В системах рулевого управления легковых автомобилей, кроме реечных применяют и червячные рулевые механизмы. Наибольшее распространение получили червячно-роликовые рулевые механизмы (например, на «ВАЗ-2105», -2106», -2107», «АЗЛК-2140», «ГАЗ-3102» и др.). Рулевые пары этих механизмов состоят из червяка и двухгребневого ролика. На таблице XII цветной вклейки представлена конструкция рулевого управления автомобиля с червячным рулевым механизмом. Рулевой вал / с рулевой колонкой 2 с помощью кронштейна 3 крепится к кузову. Крепление кронштейна к кузову выполнено так, что при авариях рулевой вал с рулевым колесом незначительно перемещается в сторону водителя, чем обеспечизается его травмобезопасность. Нижний конец рулевого вала через карданную передачу соединен с червячной передачей 4.

Червяк 12 червячной передачи установлен в картере 13 на двух подшипниках, затяжка которых регулируется с помощью прокладок 14. Червяк находится в зацеплении с двухгребневым роликом 15, который связан с валом рулевой сошки 17. Зацепление червяка и ролика регулируют с помощью регулировочного винта 16.

Рулевой привод состоит из сошки, маятникового рычага 7 и разрезной рулевой трапеции. Трапеция расположена сзади оси передних управляемых чолес. Рулевая трапеция состоит из трех поперечных рулевых тяг 8 и 9 маятникового рычага 7 и рычагов 10 с шарнирами 5. Боковые рулевые тяги 8 имеют два наконечника, соединенных между собой муфтой 11. Это позволяет изменять длину боковых тяг рулевой трапеции при регулировке схождения управляемых колес.

КПД червячно-роликовых механизмов значительно меньше КПД реечных и составляет в прямом направлении около 0,85, а в обратном — 0,70. Кроме того, конструкция рулевого управления с червячными механизмами сложнее конструкции рулевого управления с реечными механизмами.

Усилители в рулевом управлении чаще всего устанавливают на легковых автомобилях высокого класса. Такие усилители облегчают управление автомобилем, повышают его маневренность и безопасность движения. К рулевым усилителям предъявляются следующие требования. Прежде всего необходимо, чтобы усилитель обеспечивал обратную связь между управляемыми колесами и рулевым колесом. Угловые перемещения рулевого колеса должны быть пропорциональны углам поворота управляемых колес. Сила, приложенная к рулевому колесу, пропорциональна силе сопротивления повороту управляемых колес. Рулевой усилитель должен обладать быстродействием и не препятствовать стабилизации управляемых колес, а также  поглощать удары  и  толчки

от движения по дороге со стороны управляемых колес. В случае выхода из строя усилителя рулевое управление не должно потерять работоспособность. Этим требованиям удовлетворяют гидравлические усилители, которые и получили широкое распространение. Любой гидроусилитель, включенный в рулевое управление, имеет следующие обязательные элементы: источник питания (гидронасос), распределительное устройство и исполнительное устройство (гидроцилиндр).

Схема рулевого управления с гидроусилителем показана на-рисунке 5.8. Золотниковый распределитель 3 встроен в продольную тягу рулевого привода так, что его золотник 4 жестко связан с сошкой рулевого механизма 2. Шток силового цилиндра (исполнительного механизма) 8 передает усилия на рулевую трапецию 7. Корпус силового цилиндра закреплен на кузове автомобиля. При повороте рулевого колеса / золотник 4, перемещаясь, открывает каналы для жидкости, поступающей в силовой цилиндр 5. Шток 8 силового цилиндра, воздействуя на рулевую трапецию, повернет управляемые колеса, а рулевая трапеция заставит перемещаться корпус распределителя 3, с которым она жестко связана. Корпус распределителя начнет перекрывать каналы для прохода жидкости в силовой цилиндр. Если остановить вращение рулевого колеса /, то золотниковый распределитель займет нейтральное положение, и поворот управляемых колес прекратится. Для непрерывного поворота колес нужно непрерывно вращать рулевое колесо, причем каждому положению рулевого колеса соответствует определенное положение управляемых колес. Золотниковый распределитель следит за положением управляемых колес, осуществляя обратную связь рулевого управления по перемещению. Чтобы работа гидропривода не лишала водителя «чувства дороги», необходима обратная связь не только по перемещению, но и по силе сопротивления со стороны дороги, которая препятствует повороту автомобиля. Для этого в золотниковом распределителе устанавливают пружины 6 и реактивные шайбы 9.

В этом случае при перемещении золотника относительно корпуса потребуются дополнительные усилия со стороны рулевого колеса. Эти усилия зависят от жесткости пружин 6 и давления жидкости на реактивную шайбу 9. При увеличении сопротивления повороту возрастает давление жидкости в силовом цилиндре и в распределителе, возрастает давление и на реактивную шайбу. В результате увеличивается усилие, которое необходимо прикладывать водителю к рулевому колесу. Так осуществляется обратная связь и слежение по силе сопротивления повороту. Центрирующие пружины и реактивные шайбы препятствуют самовключению усилителя и передаче толчков и ударов со стороны управляемых колес.

1. Рулевой механизм

2. Рулевой привод

3.  Эксплуатационные  регулировки  рулевого управления

1. Общие сведения о тормозной системе

2. Гидравлический привод тормозов

3. Пневматический привод тормозов

4. Стояночный тормоз

5. Особенности тормозной системы автомобиля КамАЗ

6. Эксплуатационные регулировки тормозных механизмов и их приводов