Рулевое управление автомобиля

1.      ВВЕДЕНИЕ

Легкий в управлении, динамичный, удобный грузовой автомобиль ГАЗ-3302 «ГАЗель» имеет прочную и надежную конструкцию, прост в обслуживании и вызывает интерес как у городских предприниматетелей, так и на селе, где он подчас служит универсальным транспортным средством на все случаи жизни - и для семьи, и для работы.

На грузовой платформе можно разместить груз весом до полутора тонн. Погрузка не доставит хлопот - высота пола платформы всего один метр. От непогоды и посторонних взглядов груз защищает тент.

Для управления грузовыми "ГАЗель" достаточно квалификации водителя легкового автомобиля, на них не распространяется действие дорожных знаков, запрещающих движение обычных грузовиков.

Конструкторы автомобиля "ГАЗель" постарались, чтобы водитель получал удовольствие от езды на этом автомобиле. Передние дисковые тормоза позволяют не беспокоиться о быстром и безопасном замедлении автомобиля на любой скорости. Небольшое усилие на руле и малый радиус поворота обеспечивают машинам высокую маневренность даже в плотном городском потоке.

Габаритные размеры автомобиля ГАЗ 3302 Газель

РИС. 1

2.      РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ АВТОМОБИЛЯ.

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 большинстве современных автомобилях в системах рулевого управления применяют усилители. На первых автомобилях не было рулевого колеса, поворот производился с помощью поводков и рычагов с 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. Конструкция рулевой трапеции значительно изменилась после применения независимой подвески колес, для установки которой пришлось расчленить поперечную тягу и установить дополнительные шаровые шарниры. 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 по ГОСТ Р 52302-2004.

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. Разные углы поворота управляемых колес обеспечиваются работой рулевой трапеции — системы рычагов с шарнирам», связывающей управляемые колеса. Колеса поворачиваются вокруг осей поворота на разные по величине наружный и внутренний углы. Внутренний угол больше наружного , 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») = 4,6-м, а у длиннобазных «Газ-3102» («Волга») Rmin = 5,9 м и у «ЗИЛ-4104» = 7,6 м.

Значительно уменьшить минимальный радиус поворота можно, используя схему со всеми управляемыми колесами. 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. 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 конструкции, чем остальные три, резко ухудшает управляемость 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. 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 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 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 = 1320, «ЗАЗ-1102» р = 15, «ВАЗ-2121» р = 1130. Углы наклона оси поворота в продольной плоскости значительно меньше и составляют 1... 4°. У автомобилей «ВАЗ-2121» у = 330,«ВАЗ-2108»,-2109»у = 130,«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.

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, 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.

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).

3.      РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ  ГАЗ 3302

РИС. 2

Рулевое управление:

1 — рулевое колесо;

2, 25 — подрулевой переключатель;

3 — стопорное кольцо;

4 — шайба;

5 — подшипник;

6 — пластмассовая втулка подшипника;

7 — выключатель (замок) зажигания;

8 — нижний кожух;

9 — вал рулевой колонки;

10 — карданный шарнир;

11 — клин;

12 — гайка:

13 — карданный вал рулевого управления;

14 — уплотнитель карданного вала;

15 — подшипник карданного шарнира;

16 — иглы подшипника;

17 — стопорное кольцо;

18 — механизм рулевого управления;

19 — вал сошки с зубчатым сектором;

20 — пресс-масленка карданного шарнира;

21 — труба рулевой колонки;

22 —кронштейн;

23 — ручка механизма фиксации рулевой колонки;

24 — верхний кожух;

26 — гайка крепления рулевого колеса;

27 — накладка рулевого колеса;

28 — винт шариковой гайки;

29 — верхняя крышка;

30 — регулировочная прокладка;

31, 39 — уплотнительные кольца;

32 — шарик шариковой гайки,

33 — шариковая гайка;

34 — гайка;

35 — сошка;

36 — крышка;

37 — поролоновое кольцо;

38 — стопорное кольцо;

40 — подшипник вала сошки;

41 — вал-сектор; 

42 — подшипник винта шариковой гайки;

43 — кронштейн;

44 — картер;

45 — пробка заливного отверстия;

46 — сальник;

47 — защитная крышка;

48 — клин

Рулевое управление автомобиля состоит из регулируемой рулевой колонки с валом и колесом, рулевого механизма и привода рулевого управления. Конструкция рулевой колонки (рис. 2) позволяет изменять положение рулевого колеса по высоте и углу наклона.

Рулевой механизм (рис. 2), состоящий из винта с шариковой гайкой 33 и вала-сектора, смонтирован в алюминиевом картере, который при помощи специального кронштейна крепится к левому лонжерону рамы. Передаточное число рулевого механизма — 23,09 (в средней части).

Винт с шариковой гайкой 33 установлен в картере на двух радиально-упорных подшипниках, наружные обоймы которых запрессованы в картер и в верхнюю крышку рулевого управления, а внутренние обоймы напрессованы на винт рулевого механизма. Момент проворота винта рулевого механизма регулируется с помощью прокладок 30, устанавливаемых под крышку рулевого механизма.

При вращении винта шарики перекатываются по специальному каналу, в результате чего шариковая гайка перемещается. Шарики изготовлены с высокой точностью и отличаются друг от друга не более, чем на 4 мкм. Узел механизма, состоящий из винта, шариковой гайки и комплекта шариков, разукомплектованию не подлежит. Высокое качество обработки и точность подобранных деталей обеспечивает легкую и плавную работу рулевого механизма.

Своими зубьями гайка находится в зацеплении с валом — сектором 41. Вал сошки вращается на двух цилиндрических роликовых подшипниках, внутренней обоймой которых является вал сошки. Уплотнение вала сошки, а также крышки рулевого механизма осуществляется с помощью резиновыx колец. Фиксация наружных обойм подшипников вала сошки от осевого перемещения осуществляется с помощью стопорных колец 38, а от углового перемещения — с помощью керновки наружных обойм в отверстия картера, закрываемые пробкой 5. Винт—шариковая гайка рулевого механизма с помощью карданного вала соединяется с валом рулевой колонки. Крепление вилок шарнира на валах осуществляется с помощью клина 48 (см. рис. 2).

Колонка рулевого управления крепится четырьмя болтами к кронштейну педалей сцепления и тормоза. Вал рулевой колонки вращается на двух шарикоподшипниках. Регулировки подшипников вала рулевой колонки в процессе эксплуатации не требуется.

Рулевое колесо установлено на конических шлицах рулевого вала и закреплено стопорной шайбой и гайкой.

4.      МЕХАНИЗМ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ.

РИС. 3

1              Крышка нижняя

2              Подшипник червяка рулевого управления нижний 877907

3              Вал с червяком в сборе

4              Картер рулевого механизма в сборе

5              Прокладка боковой крышки