Рулевое управление автомобиля: устройство, принцип работы и виды

Гидравлический и электрогидравлический усилители руля

ГУР получил в настоящее время наибольшее распространение, хотя будущее явно не за ним. Схема этого усилителя уже не менялась лет 50, лишь совершенствовалась и задела для модернизации практически не имеет. Основные элементы:

• насос, бывает пластинчатым (лопастным либо шиберным) или шестеренным, он работает путем отбора части крутящего момента от коленвала посредством ременной поликлиновой или клиновой передачи;
• золотниковый распределитель, специальное устройство, перераспределяющее поток жидкости;
• гидравлическая жидкость, как правило, трансмиссионная специальная, маркируется ATF;
• исполнительное устройство, гидроцилиндр, оборудованный штоком и поршнем;
• система патрубков для циркуляции жидкости;
• расширительный бачок, предназначенный для заливки, фильтрации и компенсации изменения объема ATF.

Современные ГУР снабжаются и другими компонентами. Работают в паре с ЭБУ, снабжаются электромагнитными клапанами, камерами обратного действия и узлами. Тема объемная и достаточно вариативная.

Принцип работы заключается в том что насос обеспечивает движение в системе жидкости. Как только руль поворачивается это приводит к повышению давления жидкости. Она поступает в распределитель, оттуда в гидроцилиндр. Там воздействует на поршень, а он в свою очередь на рулевую тягу привода или через вал на сошку.

Это, конечно, упрощенная схема для общего понимания. Все на самом деле немного сложнее, особенно в случае с электронным управлением.

Электрогидравлический усилитель руля по принципу своей работы от гидравлического ничем не отличается. Главное различие в типе привода. Если для работы ГУР требуется отбор мощности двигателя, а это механические потери и дополнительный расход топлива, то ЭГУР работает от автономного электромотора и с двигателем никак не связан, только опосредовано, конечно. Иначе говоря, разница в насосе, ГУР с механическим приводом насоса от коленвала, ЭГУР с собственным асинхронным электродвигателем.

Классификация рулевого управления

Принципиальных отличий между разными типами рулевого управления нет, но часто его классифицируют по типу редуктора рулевого механизма:

Тип редуктора «шестерня-рейка».

Устройство рулевого управления с редуктором типа «шестерня-рейка» 1 — руль; 2 — рулевой вал с шестерней; 3 — рейка; 4 — рулевые тяги; 5 — поворотные рычаги; 6 — колеса.

Это самая распространенная разновидность рулевого редуктора, которая за годы использования показала свою надежность.

Принцип действия очень простой: на рулевом валу (который отходит от рулевой колонки) закреплена продолговатая шестерня. Рулевая рейка имеет зубчатый участок, который входит в зацепление с этой шестерней. При вращении руля шестерня вращается на месте и толкает зубчатую рейку в одну или другую сторону. Соответственно приходят в действие и рулевые тяги.

Передаточное число на рейке может быть неизменным, а может меняться ближе к краям. Получить такой эффект просто: нужно изменить наклон зубьев на рейке. Благодаря этому для поворота на большой угол не нужно «крутить баранку» до посинения, количество оборотов руля для маневра сокращается.

Тип редуктора «червяк-ролик».

Устройство рулевого управления с редуктором типа «червяк-ролик»: 1 — руль; 2 — рулевой вал с червяком; 3 — ролик с валом сошки; 4 — рулевая сошка; 5 — средняя тяга; 6 — боковые тяги; 7 — поворотные рычаги; 8 — колеса; 9 — маятниковый рычаг; 10 — шарниры рулевых тяг.

Этот тип редуктора можно назвать устаревшим, поскольку его давно перестали устанавливать на автомобили. Тем не менее, он еще встречается на старых машинах.

В основе заложена червячная передача, в которой червяк закреплен на дополнительном валу рулевой колонки. При повороте руля вращается червяк и приводит в движение ролик, стоящий с ним в зацеплении.

Сдвигаясь по нарезке червяка, ролик заставляет вращаться вал, на который он установлен и к которому присоединен рычаг рулевой сошки. Вал вращается, рулевая сошка описывает полукруг, приводит в действие остальные элементы рулевого привода (среднюю тягу, маятниковый рычаг, боковую тягу, поворотные кулаки колес).

Винтовой тип редуктора.

Устройство редуктора рулевого управления винтового типа

По принципу действия он очень похож на червячный редуктор. Однако на дополнительном валу рулевой колонки установлен не червяк, а винт. Он входит в зацепление с гайкой, на наружную сторону которой нанесен зубчатый обод. Когда вращается винт, гайка поворачивается в одну или другую сторону и поворачивает рулевую сошку, а она уже направляет остальные компоненты рулевого привода.

В усовершенствованных моделях на винт ставится шариковая шайба, которая служит промежуточным элементом между ним и гайкой. При вращении винта шарики сдвигают шайбу, а она поворачивает гайку. Когда на легковые автомобили начали массово устанавливать гидроусилитель руля (ГУР), червячный редуктор вышел из обихода – к нему ГУР не поставишь. На его место пришел реечный привод, а винтовой «перекочевал» на тяжелые автомобили.

Кроме редуктора, в рулевом механизме могут отличаться типы передачи усилия на управляемые колёса. Более простой считается конструкция с реечным редуктором: от рулевой рейки отходят две рулевые тяги, которые крепятся к поворотным кулакам колес. Для того, чтобы соединение было подвижным, но без люфтов, используются шаровые наконечники.

На редуктор с червячной или винтовой передачей подходит другой тип рулевого механизма. Его называют рулевой трапецией и состоит он из довольно сложной системы рычагов. Сложность конструкции оправдывается большей мощностью, так что рулевая трапеция с винтовым редуктором ставится на грузовые автомобили, в то время как рулевая рейка лучше подходит для легковых.

И, наконец, систему рулевого управления классифицируют по типу усилителя: ГУР, ЭГУР и ЭУР.

1. ГУР – гидравлический усилитель, классический тип. Он и сегодня ставится на автомобили, но постепенно уступает дорогу более современным видам усилителя;
2. ЭГУР – электрогидравлический усилитель руля. В нём электромотор выполняет вспомогательную функцию, в то время как основная работа выполняется гидравликой;
3. ЭУР – электроусилитель, современный способ управлять автомобилем. Электромотор умножает усилие, которое водитель прикладывает к рулю, то есть работает без каких-либо гидравлических элементов.

Виды и принцип работы

Выделяют три основных вида РУ: реечный, червячный и винтовой. Самым распространенным является первый. У него достаточно простая конструкция и высокий КПД. Реечный механизм базируется на рулевой рейке с шестерней. Последняя размещается на валу и постоянно находится в связке с рейкой. При вращении рулевого колеса рейка с помощью шестеренки перемещается в горизонтальном положении влево или вправо. Одновременно с этим двигаются и тяги, которые передают усилия на колеса авто. Плюсами данного механизма являются простая конструкция, надежность и низкая стоимость. В качестве недостатков устройства называют чувствительность к любым неровностям на дороге.

Червячный механизм самый старый среди всех. Его можно встретить на классических представителях АвтоВАЗа, а также на некоторых внедорожниках. В паре с данным механизмом, как правило, устанавливается зависимая подвеска. Конструктивная особенность этого устройства – наличие червячного ролика, который заменил собой шестерню, а также картера и рулевой сошки. Сам «червяк» расположен в нижней части рулевого вала и находится с постоянном сцеплении роликом. Благодаря подобной конструкции вал поворачивается, передавая усилия на колеса машины. С таким механизмом транспортное средство становится более маневренным, оно может повернуть колеса на больший угол, а также на руль не передаются дорожные неровности. Однако данную конструкцию очень дорого обслуживать ввиду ее сложности.

Винтовое рулевое управление соединяется с помощью гайки и шариков специального винта. Как правило, таким механизмом комплектуются грузовые машины, автобусы и легковушки повышенного класса. Принцип работы «винта» практически такой же, что и у «червяка». Износ такого устройства минимальный, а детали ломаются крайне редко.

Рулевой механизм

От колонки усилие передается рулевому механизму (червячному, винтовому или реечному), который усилие увеличивает и передает приводу. Самый распространенный из них – реечный, т. к. большинство легковых автомобилей оборудовано именно им. Он состоит из:

1. Рулевой рейки.

2. Рулевых тяг.

3. Рулевого наконечника.

При вращении рулевого колеса усилие передается на шестерню, приводящую в действие рейку. Она, в свою очередь, поворачивается направо или налево, в зависимости от направления поворота рулевого колеса. При движении рейки поворачиваются и рулевые тяги и поворачивают колеса.

Реечный механизм отличает простота, надежность, жесткость и высокий КПД. В то же время он очень чувствителен к ударным нагрузкам от неровных поверхностей и склонен к вибрациям. Из-за вышеописанных особенностей подобная схема используется в основном на легковых автомобилях с передним приводом и независимой подвеской.

Существует и другая система рулевого управления, а именно – с червячным механизмом. Она состоит из глобоидного червяка (стержня с резьбой и переменным диаметром), соединенного с валом, и ролика. При вращении руля ролик обкатывает червяк, который вращает ведомую шестерню, приводящую в движение сошку. Она же, в свою очередь, перемещает рулевые тяги и с их помощью происходит поворот колес.

Червячный механизм намного сложнее реечного (и, естественно, дороже в производстве), наличие большого количества соединений требует периодической регулировки, однако он менее чувствителен к ударным нагрузкам и обеспечивает большие углы поворота управляемых колес. Как следствие, заметно возрастает маневренность. Он применяется на легковых автомобилях повышенной проходимости, автобусах и небольших грузовых автомобилях. Также червячные механизмы устанавливались на старых отечественных автомобилях (подобное рулевое управление «ВАЗ» использовал при создании модели «Жигули»).

И, наконец, последний вид рулевых механизмов – винтовой. В его конструкцию входят:

— винт на валу рулевого колеса;

— перемещающаяся по винту гайка;

— нарезанная на гайке зубчатая рейка;

— соединенный с гайкой зубчатый сектор;

— рулевая сошка.

Винт и гайка соединяются с помощью шариков, что ведет к заметно меньшему износу.

При повороте руля винт вращается, перемещая гайку, шарики начинают циркулировать, в то время как гайка (с помощью рейки) перемещает зубчатый сектор. Вследствие этого перемещается сошка, и, как вы уже успели догадаться, с помощью тяг осуществляется поворот колес.

Этот механизм рулевого управления устанавливается на тяжелые грузовые автомобили и машины представительского класса.

Требования к рулевому управлению

По стандартам к рулевой системе предъявляются следующие требования:

• Обеспечение необходимой траектории движения согласно параметрам маневренности, устойчивости и поворотливости.
• Усилие, прилагаемое к рулевому колесу, не должно превышать установленных значений.
• Количество оборотов руля от стандартного положения до любого из крайних должно соответствовать нормам.
• Возможность управления автомобилем должна сохраняться после выхода усилителя из строя.

Нормальное функционирование рулевой системы определяется еще одним параметром — суммарным люфтом, подразумевающим угол поворота руля до момента поворота колес.

Допустимый суммарный люфт в рулевом управлении должен соответствовать принятым нормам:

• Для микроавтобусов и легковых автомобилей — 10 градусов.
• Для автобусов и аналогичных транспортных средств — 20 градусов.
• Для грузовых автомобилей — 25 градусов.

Сборка и регулировка рулевого механизма

При сборке рулевого механизма с двойным роликом автомобиля ГАЗ-51 выполняют следующие операции:

1. Запрессовывают в картер бронзовую втулку 22 с натягом 0,04—0,10 мм и развертывают ее разверткой под размер шейки вала рулевой сошки с расчетом получения зазора 0,025—0,1 мм.
2. Устанавливают наружное кольцо верхнего роликового подшипника 10 в картер с зазором 0,01—0,07 мм.
3. В верхний конец рулевой колонки устанавливают роликовый цилиндрический подшипник 27, а в нижний — пружину 14 с сальником 15; надевают колонку на шейку верхней крышки 11 картера и закрепляют ее стяжным хомутом 12.
4. Снизу картера рулевого механизма вставляют рулевой вал с червяком 8 и двумя роликовыми коническими подшипниками, ставят наружное кольцо 6 нижнего подшипника и привертывают нижнюю крышку 2 с регулировочными прокладками 5 толщиной 0,12 мм (пергаментные) и 0,25 мм (картонные).
5. На шлицы рулевого вала надевают рулевое колесо и закрепляют гайкой 25.
6. Проверяют затяжку подшипников червяка. При правильной затяжке усилие, приложенное по касательной к окружности рулевого колеса, необходимое для поворота рулевого вала, должно равняться 0,3—0,5 кг. При отсутствии динамометра затяжку проверяют вращением вала, который должен легко вращаться и не иметь заметного осевого зазора.
7. В боковую крышку 18 запрессовывают роликовый цилиндрический подшипник 19 и ввертывают регулировочный винт 17 вала рулевой сошки 21.
8. Соединяют вал рулевой сошки (в сборе с роликом) с регулировочным винтом, устанавливают вал в картер и привертывают боковую крышку 18 с уплотняющей прокладкой.
9. Устанавливают на конец вала сошки сальник 23, уплотняющее войлочное кольцо 1 в обойме, сошку и закрепляют ее гайкой.
10. Производят регулировку зацепления ролика с червяком, для чего червяк ставят в положение, при котором ролик будет находиться посредине червяка (движение автомобиля по прямой).

В этом положении перемещают сошку в плоскости ее качания при работе и измеряют величину перемещения конца сошки.

Если это перемещение более 0,8 мм, то регулировку зацепления следует производить винтом боковой крышки. После окончания регулировки проверяют легкость вращения рулевого вала, который должен повертываться от усилия 1,6—2,2 кг, приложенного по касательной окружности рулевого колеса, затем устанавливают на регулировочный винт стопорную шайбу и завертывают контргайку винта.

При сборке рулевого механизма с тройным роликом автомобиля ЗИС-150 выполняют следующие операции:

1. Запрессовывают в картер рулевого механизма и в боковую крышку бронзовые втулки и развертывают их разверткой. Со стороны сошки в картер устанавливают пробковый сальник 3 и шайбу сальника 4, которую в трех местах отгибают.
2. Устанавливают в картер наружное кольцо верхнего роликоподшипника, вставляют рулевой вал с червяком и подшипниками 8, наружное кольцо нижнего роликоподшипника и привертывают крышку 5 со стальными регулировочными прокладками 6.
3. Сверху в рулевую колонку устанавливают сальник 11, шарикоподшипник 12, пружину, вставляют шпонку 13 в рулевой вал, надевают рулевое колесо и закрепляют его гайкой.
4. Регулируют затяжку подшипников червяка прокладками нижней крышки так, чтобы усилие для поворота вала, приложенное по касательной к окружности рулевого колеса, составляло 0,3—0,8 кг по динамометру.
5. Вставляют в картер вал рулевой сошки 25 в сборе с трехрядным роликом и привертывают боковую крышку 19 с уплотняющей прокладкой. На крышку устанавливают резиновые уплотняющие кольца 21.
6. Надевают на вал сошки регулировочные стальные кольца и упорную бронзовую шайбу. Завинчивают до отказа фасонную гайку, надевают рулевую сошку и проверяют правильность зацепления ролика с червяком. Для этого червяк и ролик устанавливают в среднее положение (движение автомобиля по прямой) и проверяют величину движения конца сошки (нормально должно быть не более 0,8 мм). При этом усилие для поворота вала, приложенное по касательной к окружности рулевого колеса, должно равняться 2,5 кг.
7. После регулировки зацепления фасонную гайку закрепляют стопорной пластиной.

Особенности правостороннего и левостороннего управления

В зависимости от законодательства конкретных стран и вида транспортного средства современные автомобили подразделяются на праворульные и леворульные. Соответственно, рулевое колесо может располагаться как справа, так и слева. К примеру, рулевые системы ВАЗ являются леворульными.

Механизмы отличаются не только позицией руля, но и редуктором, который адаптирован под конкретную сторону подключения. Несмотря на это, правостороннее управление на левостороннее переделать возможно.

Некоторые виды спецтехники оборудованы гидрообъемным рулевым управлением, которое обеспечивает независимость размещения рулевого колеса от других элементов. Такая рулевая система не обладает механической связью между рулем и приводом, а колеса поворачиваются при помощи силового цилиндра, регулируемого насосом-дозатором.

В сравнении со стандартными механизмами гидрообъемное рулевое управление не требует приложения больших усилий для выполнения поворота, не обладает люфтом, и его компоновка подразумевает произвольное расположение конструктивных элементов.

Соответственно, гидрообъемное управление обеспечивает как левостороннее, так и правостороннее управление. Благодаря этому система может устанавливаться на специальные транспортные средства.

Уход за рулевым управлением

Всем известно выражение: «Лучшее лечение это – профилактика». Поэтому каждый раз, общаясь со своим автомобилем снизу (на смотровой яме или эстакаде), одним из первых дел следует проверить элементы рулевого привода и механизма. Все защитные резинки должны быть целы, гайки зашплинтованы, рычаги в шарнирах не должны болтаться, элементы рулевого управления не должны иметь механических повреждений и деформаций. Люфты в шарнирах привода легко определяются, когда помощник покачивает рулевое колесо, а вы на ощупь, по взаимному перемещению сочлененных деталей, находите неисправный узел. К счастью времена всеобщего дефицита прошли, и есть возможность приобрести качественные детали, а не те многочисленные подделки, которые выходят из строя через неделю эксплуатации, как это было в недавнем прошлом.

Решающую роль в долговечности деталей и узлов автомобиля играют стиль вождения, состояние дорог и своевременное обслуживание. Все это влияет и на срок службы деталей рулевого управления. Когда водитель постоянно дергает руль, крутит его на месте, прыгает по ямам и устраивает гонки по бездорожью – происходит интенсивный износ всех шарнирных соединений привода и деталей рулевого механизма. Если после «жесткой» поездки ваш автомобиль при движении стало уводить в сторону, то в лучшем случае вы обойдетесь регулировкой углов установки передних колес, ну а в худшем – затраты будут более ощутимы, так как придется заменить поврежденные детали. После замены любой из деталей рулевого привода или при уводе автомобиля от прямолинейного движения необходимо отрегулировать «сход-развал» передних колес. Работы по этим регулировкам следует проводить на стенде автосервиса с использованием специального оборудования.

Рулевой механизм и рулевой привод

Рулевая рейка, как отмечали выше, соединяется с рулевым механизмом. Рулевой механизм – это несколько узлов, которые передают усилие от рулевого колеса на рулевой привод. То есть это устройство, которое преобразует вращательное движение рулевого вала в возвратно-поступательное движение компонентов рулевого привода. Дополнительные задачи – возврат руля в нейтральное положение, если на него не оказывается определенное физическое усилие водителем, а при наличии усилителя еще и увеличение усилия, оказываемого непосредственно на колонку (ее вал) или привод.

По сути это редуктор, механическая передача, которая существенно может различаться по конструкции и схеме работы. От этого напрямую зависят и особенности конструкции, функционирования рулевого привода. Редукторы используются разнообразные, но самые распространенные – это червячные, винтовые и наиболее простая схема обычная зубчатая шестерня. Об этом поговорим ниже более детально. Редуктор ставится в картер, специальный корпус.

Рулевой привод – это общность узлов и определенных деталей, которые обеспечивают передачу усилия от рулевого колеса на привод управляемых передних колес. То есть вращательное усилие подается на рулевой механизм. Тот преобразовывает его в возвратно-поступательное передвижение рулевого привода. А он в свою очередь оказывает усилия на элементы колес (в преобладающем числе случаев речь идет о поворотных кулаках передних управляемых колес).

Важное значение для рулевого управления имеет расположение привода. Зачастую его элементы ставятся на передний подрамник, это так называемое «низкое» расположение

Если подрамника или рамы нет, то элементы привода крепятся к ходовой, двигателю или другим, в том числе силовым компонентам, расположенным в моторном отсеке. Это «верхнее» расположение. Все находится в зависимости от особенностей конструкции, но чем ниже элементы привода, тем информативнее управление.

Особенности конструкционной схемы привода определяются устройством рулевого механизма (эти детали очень тесно взаимосвязаны между собой), а также наличием дополнительных конструкционных элементов. Например, уже выше отмечали применение схем с демпфирующими пружинами, которые гасят колебания компонентов рулевого привода, возникающие при передвижении автомобиля. Есть и иные варианты.

Электрический усилитель руля

ЭУР кардинально отличается от ГУР принципом работы. Ставится асинхронный электродвигатель. Уже указывали выше. Уточним. Варианта два. Первый – либо непосредственно на рулевую рейку (когда речь о схеме «шестерня-рейка), или на вал рулевой в картере рулевого механизма. Второй – на вал в колонке (это самый бюджетный вариант, для легковых автомашин A и B класса). То есть три способа основных установки. Усилитель, по сути, исполнительное устройство, значит, есть управляющее, это ЭБУ, а также целая группа датчиков. Их конфигурация значительно отличается, но в целом это цифровые или аналоговые датчики угла поворота и крутящего момента руля, скорости вращения колес, частоты вращения коленвала, иногда ряд других.

И еще одна важная часть – механическая передача, об основных видах рассказали, когда рассматривали схему рулевого управления «шестерня-рейка». Дублировать не будем.

Схема работы именно от особенностей места установки и вида используемой механической передачи отличается, а вот принцип работы общий.

Датчики собирают информацию и передают на блок управления, тот на основании определенного алгоритма принимает решение и подает команду на электродвигатель. Он в свою очередь посредством механической передачи передает крутящий момент непосредственно или на вал, или на редуктор, или на рейку.

На этом разговор закончим. Системы рулевого управления (адаптивного, также активного, а еще и динамического) и разнообразные электронные системы, тесно связанные непосредственно с рулевым управлением, – это тема для своей отдельной статьи. Отметим лишь еще раз что если потребуются обслуживание или ремонт данной системы в Казани, нужно будет , всю информацию сможете найти у нас на автопортале Avto.Tatar . Обращайтесь!

Принцип работы

Сегодня в большинстве случаев используется гидроусилитель руля. Поэтому стоит рассмотреть, как работает рулевая рейка с ним. Данная информация позволит понять, почему практически не приходится прикладывать усилия, чтобы крутить рулевой колесо во время движения.

Насос гидроусилителя соединяется с двигателем с помощью ремня или специальных шестерней. Он обеспечивает подачу бесперебойную подачу жидкости в распределитель. Последний находится в корпусе рулевой рейки. Его еще могут называть картером.

С помощью золотникового распределителя происходит распределение гидравлической жидкости, которая требуется для осуществления поворота. Торсион позволяет контролировать количество жидкости, которая требуется в конкретно взятом случае. Его интегрируют в разрез рулевого вала.

Когда машина стоит или движется по прямой, то рулевая рейка не двигается. Тогда масло находится в специальных емкостях, а не в распределителе. Когда колеса поворачиваются, они сопротивляются изменению направления, так как во время движения на них оказывает воздействие сразу несколько сил. Тогда закручивается торсион, каналы распределителя открываются, а жидкость подается на рулевую рейку. Масло распределяется так, чтобы облегчить ее движение. Чтобы управление автомобилем было безопасным, водитель должен внимательно следить за состоянием рулевой рейки и всех смежных узлов. В частности, если появляются масляные подтеки, требуется обратиться в СТО. Также можно попробовать выполнить ремонт самостоятельно, если есть соответствующие навыки.

рулевая рейка без гур