Рулевое управление и усилители автомобилей высокой проходимости

Автомобили высокой проходимости имеют обычное рулевое управление, расположенное на отечественных автомобилях слева. В качестве управляемых применяют передние или задние ведущие колеса. Иногда выполняют управляемыми все ведущие колеса, причем не только на двухосных, но и на четырехосных автомобилях.

Автомобили с задними управляемыми колесами распространения не получили, так как при этом без применения заднего хода трудно отъехать от стены и тротуара. Преимущество применения всех управляемых колес состоит в уменьшении радиуса поворота даже при ограниченных углах поворота колес.

Углы установки ведущих и неведущих управляемых колес многоосных автомобилей существенно не отличаются от углов установки колес обычных автомобилей. Сохраняется также конструктивная преемственность рулевых механизмов.

Применение на управляемых ведущих колесах шин весьма низкого давления приводит к увеличению площади их отпечатка и плеча действия силы сопротивления движению. Одинарные колеса на всех ведущих мостах в пределах одной и той же грузоподъемности обусловили значительное увеличение осевого веса управляемых ведущих колес. Работа автомобилей высокой проходимости на дорогах со слабой несущей способностью, особенно при наличии прицепа, создает исключительно трудные условия для осуществления поворота автомобилей с помощью обычных рулевых механизмов.

В связи с созданием автомобилей высокой грузоподъемности, повышением средних скоростей движения и увеличением дальности перевозок были предъявлены новые требования к рулевому управлению автомобиля.


Для поворота тяжелого грузового автомобиля, имеющего большой осевой вес, даже на шоссе требуются большие усилия, тем более при наличии прицепа. В связи с этим снижается маневренность автомобиля, уменьшается возможность двигаться с повышенной скоростью, повышается утомляемость водителя и опасность движения.

Для облегчения поворота автомобиля применяется ряд способов:

• а) уменьшение трения в рулевом механизме и приводе (увеличение к. п. д. механизма);
• б) увеличение передаточного отношения рулевого механизма;
• в) применение усилителей рулевого управления.

Увеличение к. п. д. рулевого механизма дает всегда положительные результаты, но имеет ограниченные возможности. Увеличение-передаточного отношения рулевого механизма может привести к ухудшению маневренности автомобиля.

Облегчение управления автомобилем успешно разрешается применением усилителей, использующих энергию двигателя для обеспечения надежного, легкого и быстрого поворота. Поэтому важнейшим требованием к управлению автомобилей высокой проходимости является наличие усилителей рулевого управления.

Из механических, электрических, пневматических и гидравлических усилителей, применяемых в настоящее время, наибольшее распространение получили последние два типа.

В пневматических усилителях используется давление воздуха,, создаваемое компрессором, который имеется для обслуживания тормозной системы автомобиля.

Давление воздуха, создаваемое одноступенчатым автомобильным компрессором, не превышает 8—10 кг/см². Вследствие этого пневматический усилитель приобретает значительные размеры и вес, что приводит к трудностям при его размещении на автомобиле,, особенно при наличии шин увеличенного размера. Недостаток пневматических систем усиления состоит также в том, что трудно достигнуть герметичности мягких уплотнений (из-за высыхания манжет), надежной смазки, исключить попадание конденсата в систему. Все это отрицательно сказывается на надежности работы пневматического усилителя. Однако, несмотря на указанные недостатки, пневматические усилители нередко применяются на автомобилях, оборудованных пневматической системой тормозных приводов.


В гидравлических усилителях рулевого управления в качестве-рабочей жидкости применяется масло, несжимаемость которого-определяет более высокий к. п. д. гидравлического усилителя. Наряду с этим, вследствие несжимаемости жидкости, энергия передается по трубопроводам без заметного запаздывания, что' уменьшает время срабатывания усилителя. Последнее особенно важно» при высоких скоростях движения автомобиля.

Рабочее давление, создаваемое масляным насосом, значительно выше давления воздуха, создаваемого компрессором. Применение давления около 80 кг/см² сокращает размеры усилителя. Однако для гидравлических усилителей требуются масляные насосы, работающие при 4000—6000 об/мин. При таком числе оборотов вес и размеры насоса весьма невелики. Применение гидравлических проводов в системе управления становится более разнообразным, и-автомобили нередко оборудуются центральной гидравлической системой, включающей в себя управление тормозами, усилитель рулевого управления, управление двигателем и другими агрегатами.

Создание малогабаритных и надежных гидравлических усилителей рулевого управления позволило широко применять их на автомобиле. Так, например, в США промышленность в 1951 г, выпустила 40 000 насосов для гидравлического усилителя рулевого управления.

Ниже приведено краткое описание ряда конструкций усилителей, применяемых на отечественных и заграничных автомобилях.

Фирма «Сагинау» концерна GMC изготовляет рулевые механизмы с гидравлическими усилителями. Такие рулевые механизмы предназначены не только для тяжелых грузовых автомобилей, но и для легковых. В основу положен известный рулевой механизм с циркуляцией шариков между винтом и гайкой. При вращении рулевого колеса гайка движется вдоль оси винта и поворачивает вал рулевой сошки. Добавление зубчатого сектора в виде коромысла, двустороннего силового цилиндра со штоком и рейкой, а также распределительного золотника позволило получить компактный рулевой механизм с гидравлическим усилителем.


Схема работы гидравлического усилителя этого типа показана на фиг. 116. Рабочая жидкость непрерывно прокачивается через распределитель и бак 3 насосом 4, получающим вращение от шкива двигателя с клиновым ремнем. В корпусе 9 распределителя перемещается притертый цилиндрический золотник 5 с большим осевым отверстием, через которое проходит рулевой вал 6. На рабочей поверхности золотника сделаны две широкие выточки. В среднем положении золотника (фиг. 116, а) масло свободно циркулирует (показано стрелками) без противодавления, а поршень 2 силового цилиндра легко перемещается при повороте рулевой сошки 11. Когда же золотник сдвинут в любое из крайних положений (фиг. 116, б), масло от насоса поступает в одну (левую) из полостей силового цилиндра, перемещает поршень со штоком вместе с зубчатой рейкой 1, а вытесняемое из другой полости масло поступает в бачок. Чтобы удерживать золотник в среднем положении, в корпусе распределителя параллельно оси просверлено несколько каналов, в которые заложены плунжеры 8 и раздвигающие их пружины 7. Наружные торцы плунжеров опираются одним краем в уступ корпуса, а другим — в шайбу, связанную с золотником. Такое устройство позволяет передвинуть золотник из нейтрального положения в рабочее только приложением определенной силы, зависящей от предварительного натяга и дополнительного сжатия пружин.




После прекращения действия силы золотник возвращается пружинами в нейтральное положение. Управление золотником производится непосредственно рулевым механизмом. В отличие от обычного рулевого механизма, где рулевой вал вращается в радиальноупорных подшипниках, в механизме с гидравлическим усилителем он опирается на игольчатые подшипники в корпусе. Кроме того, через два упорных шарикоподшипника рулевой вал опирается на золотник. Вследствие этого осевая слагающая, возникающая на винте при повороте рулевого колеса, воспринимается золотником и центрирующим его устройством.

Технические данные гидравлического усилителя рулевого управления:

• Производительность насоса в л/мин — 5
• Давление масла в кг) см² — 53
• Шаг винта рулевого механизма в мм — 10,4
• Диаметр шарика в мм — 7,15
• Диаметр золотника в мм — 41,25
• Ход золотника в каждую сторону в мм — 0,76
• Диаметр силового цилиндра в мм — 76,2
• Диаметр рулевого колеса в мм — 457

Работает механизм следующим образом.

Пока не требуется приложения большого усилия к рулевому колесу, сила, действующая на упорные шарикоподшипники, оказывается недостаточной, чтобы вывести золотник из нейтрального положения. Все масляные каналы сообщаются между собой, и управление происходит как обычно. Когда же сила на рулевом колесе возрастает, золотник смещается в одно из крайних положений, масло начинает поступать в соответствующую сторону силового цилиндра и помогает повороту автомобиля. При этом разгружается винт рулевого вала и наступает равновесие в точке, заданной углом поворота рулевого колеса.

Давление масла в силовом цилиндре определяется только величиной сопротивления повороту колес. В результате сообщения между средней выточкой корпуса распределителя и каналами, в которых заложены пружины и плунжеры, последние оказывают добавочное сопротивление перемещению золотника, пропорциональное давлению масла, что ощущается в виде некоторого увеличения силы на рулевом колесе и дает водителю возможность «чувствовать руль». В трудных условиях усилитель уменьшает силу на рулевом колесе в 3—4 раза.

Одним из основных требований к рулевому механизму является достаточная обратимость, которая, однако, приводит к тому, что на рулевое колесо передаются боковые толчки, испытываемые колесами. В этом отношении описанное рулевое управление с гидравлическим усилителем обладает важным преимуществом: в момент внезапного удара, передающегося от колеса через сошку и сектор на гайку рулевого вала, золотник перекрывает масляные каналы, и таким образом удару противопоставляется сопротивление почти несжимаемой жидкости раньше, чем на рулевое колесо передается ощутимый удар.

При незначительной силе, прилагаемой к рулевому колесу, рулевой механизм полностью сохраняет всю степень обратимости, свойственную данной конструкции. При отказе в работе масляного насоса действует автоматический перепускной клапан, который позволяет управлять автомобилем без усилителя.

На фиг. 117 показано устройство рулевого механизма с гидравлическим усилителем «Сагинау». Отличие его от описанного выше состоит в том, что второй зубчатый сектор расположен не с противоположной стороны, а на одной стороне с зубчатым сектором рулевого механизма. Принцип его работы тот же.



Фирма «Росс» выпускает для тяжелых грузовых и многопривод-ных автомобилей рулевые механизмы с гидравлическими усилителями, которые характеризуются следующими техническими данными:

• Диаметр золотника в мм — 33,4
• Площадь поршня силового цилиндра в см² — 76
• Момент на рулевой сошке в кгм:
• при давлении масла 53 кг/см² — 292
• при давлении масла 70,5 кг/см² — 390
• Производительность насоса в л/мин около — 7,18

Нередко гидравлический усилитель выполняют совместно с рулевой трапецией, причем силовой цилиндр усилителя и золотник управления могут быть выполнены в виде отдельных агрегатов и включены в различные звенья рулевой трапеции.

В ряде случаев золотник управления включают в продольную рулевую тягу, а силовой цилиндр располагают в других местах рулевого привода. Чаще всего воздействуют на рычаг, установленный на поворотной цапфе правого колеса. Перемещение золотника осуществляется под действием сил, приложенных к тяге в момент поворота. По такому принципу сконструирован гидравлический усилитель для нового междугородного автобуса ЗИЛ-127.

Гидравлический усилитель МАЗ-525 имеет литой чугунный цилиндр с каналами. Внутри цилиндра перемещается поршень, закрепленный на штоке. Одним концом шток закрепляется на раме. На переднем конце цилиндра находится распределительная головка, в которой перемещается золотник, соединенный посредством шарового пальца с рулевой сошкой. Масло из бака нагнетается в распределительную головку усилителя. Рулевая сошка, перемещаясь при повороте в ту или другую сторону, передвигает золотник и сообщает один из каналов цилиндра с распределительной головкой. Для питания усилителя применяется лопастной насос. Гидравлический усилитель аналогичной конструкции установлен на отечественном автопогрузчике Львовского завода.

Гидравлический усилитель рулевого управления фирмы ZF (Западная Германия) показан на фиг. 118. Рулевой механизм выполнен по типу глобоидального червяка с роликом. Вращение на червяк передается дополнительной парой конических шестерен, расположенных не под прямым углом, что существенно упрощает размещение на автомобиле рулевого механизма и золотника управления. Силовые цилиндры усилителя комплектно расположены в одном агрегате с рулевым механизмом и воздействуют через рычаг на вал рулевой сошки.



На фиг. 119 показана конструктивная схема пневмогидравлического усилителя, выпускаемого фирмой RMW (Западная Германия).



Основным недостатком пневматического усилителя является увеличенный размер силового цилиндра усилителя. Однако преимущество его состоит в том, что при пневматическом и пневмогидравлическом приводах тормозов всегда может быть использован для работы усилителя имеющийся воздушный компрессор. В этом случае устанавливать гидравлический усилитель рулевого управления нерационально. Поэтому ведутся работы по созданию пневмогидравлических усилителей, в которых могло бы при помощи воздуха под низким давлением создаваться высокое давление жидкости, необходимое для гидравлического усилителя (схема такого усилителя показана на фиг. 120). Гидравлический усилитель состоит из клапана управления 1, преобразователя 3 и силового цилиндра 4. Клапан управления присоединен к пневматической магистрали привода тормозов автомобиля. В зависимости от направления поворота сжатый воздух подается через клапан управления то по одну, то по другую сторону двухступенчатого поршня 2, при возвратно-поступательном движении которого обеспечивается десятикратное увеличение давления масла. Под давлением масло подается в силовой цилиндр и поворачивает лопасти, связанные с рычагом 5. Рычаг 5 (фиг. 119) соединен с рулевым приводом. Ощущение поворота обеспечивается поршнями 6, создающими добавочное сопротивление при открывании клапана управления. Привод управления клапаном 1 расположен на рулевом валу возле рулевого колеса. Действие привода согласовано с направлением поворота рулевого колеса.



Наряду с применением усилителей рулевого управления для обеспечения большей маневренности поворота нередко все ведущие колеса автомобиля делают управляемыми. Следует учитывать, что конструкция карданов с равными угловыми скоростями и шаровых опорных сочленений рулевого привода управляемых ведущих колес не благоприятствует увеличению угла их поворота. Вследствие этого наличие всех управляемых колес часто становится просто необходимым. На фиг. 121 показана конструктивная схема четырехосного автомобиля «Бюссинг-Наг» со всеми ведущими и управляемыми колесами. Рулевой привод выполнен применительно к независимой подвеске и допускает управление автомобилем при движении вперед и назад. Схема надежна в работе, хотя отличается значительной сложностью.. Несмотря на наличие восьми управляемых колес, на автомобиле-не было усилителя рулевого управления.



В связи с тем, что автомобили высокой проходимости применяются на сильно пересеченной местности, рама автомобиля в процессе работы подвержена значительным деформациям скручивания, вызывающим дополнительные нагрузки в расположенных на ней агрегатах. Так как рулевой механизм прикреплен к раме автомобиля, а рулевой вал к передней части кабины, то при относительном взаимном перемещении рамы и кабины сильно изгибается рулевой вал, нарушается правильность работы рулевого управления и нередко в нем возникают серьезные неисправности. В связи с этим на автомобилях высокой проходимости стали устанавливать рулевой вал с применением различных устройств, исключающих дополнительный изгибающий момент при перекосе рамы. Чаще всего для этой цели применяют карданы.

Легкость поворота автомобиля высокой проходимости и надежность в работе механизмов — основные требования при оценке рулевого управления. В основном рулевое управление многоприводных автомобилей полностью сохраняет конструктивную преемственность с рулевым управлением грузовых автомобилей.