Усилители рулевого управления

Для уменьшения усилия, прикладываемого водителем к рулевому колесу при повороте автомобиля, применяются усилители. Они выполняют следующие функции:

• обеспечивают кинематическое следящее действие, т. е. пропорциональность между углами поворота управляемых колес ТС и рулевого колеса;
• создают силовое следящее действие — «чувство дороги», т. е. обеспечивают пропорциональность между усилием, прилагаемым водителем к рулевому колесу, и сопротивлением повороту управляемых колес машины (чем меньше радиус поворота автомобиля и, следовательно, больше углы поворота управляемых колес, тем больше момент сопротивления их повороту);
• позволяют управлять автомобилем при выходе усилителя из строя;
• повышают безопасность движения, так как обеспечивают возможность управления автомобилем при разрыве шины на управляемом колесе, что особенно важно в случае, когда автомобиль движется с большой скоростью;
• смягчают удары, передаваемые на рулевое управление при движении по неровной дороге.

Усилитель (его силовой цилиндр) устанавливают в рулевом управлении параллельно рулевому редуктору, выполняя тем самым требование обеспечения возможности управления автомобилем при выходе усилителя из строя. Рассмотрим схему рулевого управления автомобиля при наличии усилителя.

При повороте рулевого колеса 13, например, вправо сошка 12 рулевого механизма 14 повернется по часовой стрелке. В результате золотник 9 распределителя 8 сместится, и рабочая жидкость начнет подаваться от насоса 2 в полость А силового цилиндра 7, который будет поворачивать управляемые колеса 4 в необходимую сторону. При этом полость Б силового цилиндра соединится через распределитель со сливной магистралью 1. Поршень силового цилиндра переместится, а его шток, воздействуя на привод управления, повернет управляемые колеса на угол, значение которого пропорционально углу поворота рулевого колеса. При этом усилитель будет обеспечивать необходимое «чувство дороги».

Рис. Схема рулевого управления с усилителем: 1 — сливная магистраль; 2 — насос; 3 — тяга; 4 — управляемые колеса; 5 — рычаг; 6, 10 — реактивные камеры; 7— силовой цилиндр; 8 — распределитель; 9 — золотник; 11 — нагнетательная магистраль; 12 — сошка; 13 — рулевое колесо; 14 — рулевой механизм; А, Б — полости силового цилиндра

По окончании поворота рулевого колеса управляемые колеса из-за давления рабочей жидкости будут продолжаться поворачиваться вправо. За счет рычага 5 и тяги 3 корпус распределителя сместится назад и перекроет подачу рабочей жидкости в полость А силового цилиндра. Поворот управляемых колес будет прекращен.

Кинематическое следящее действие усилителя обеспечивается за счет механической обратной связи рычага и тяги с управляемыми колесами. Силовое следящее действие достигается с помощью реактивных элементов усилителя — камер и плунжеров (в данном случае — камер 6 и 10). В эти камеры через калиброванные отверстия поступает рабочая жидкость из нагнетательной магистрали 11. В зависимости от направления поворота автомобиля жидкость под давлением подается либо на правый, либо на левый торец золотника 9. Создаваемое при этом усилие, зависящее от давления в магистрали, которое, в свою очередь, зависит от сопротивления повороту управляемых колес, смещает золотник в необходимую сторону. С увеличением момента сопротивления повороту управляемых колес повышается давление рабочей жидкости в цилиндре и реактивной камере распределителя. Это давление препятствует смещению золотника и способствует его возвращению в нейтральное положение.

За счет инерции управляемых колес возможно дальнейшее смещение корпуса распределителя относительно золотника и переход через нейтральное положение. В данном случае полость Б цилиндра соединяется с магистралью, и начинается поворот управляемых колес в обратном направлении. Это явление называют автоколебаниями управляемых колес. Во избежание его в конструкцию усилителя вводят специальные реактивные элементы.

На ТС применяются в основном гидроусилители рулевого управления, в которых в качестве рабочего тела используется жидкое минеральное масло при давлении до 7…9 МПа. Применяются также пневмоусилители, работающие от пневматической тормозной системы автомобиля.

Усилитель состоит из трех основных устройств:

• источника энергии (насоса)
• исполнительного механизма
• распределительного устройства

Роль исполнительного механизма выполняет цилиндр, куда под давлением подается рабочая жидкость (минеральное масло). Цилиндр перемещает в необходимую сторону детали привода управляемых колес, уменьшая усилие, прикладываемое водителем к рулевому колесу, в 3 — 5 раз.

Усилитель включается в работу только по мере необходимости.

По схеме компоновки с рулевым механизмом различают следующие конструкции усилителей:

• совмещенная (встроенная), когда исполнительный механизм и распределительное устройство усилителя объединены с рулевым механизмом;
• раздельная, когда исполнительный механизм (цилиндр) размещается на рулевом приводе, а распределительное устройство — либо на исполнительном механизме, либо на рулевом, либо отдельно.

Применение той или иной схемы обусловливается конструктивными особенностями ТС, нагрузкой на управляемые колеса и возможностью унификации деталей рулевого привода.

Силовой цилиндр гидроруля автомобиля ЗИЛ объединен с картером 2 редуктора, а поршень — с рейкой. Винт 4 уплотнен в крышке 12 и в поршне-рейке 3 уплотнительными кольцами. Поршень-рейка имеет наружные уплотнительные кольца, разделяющие противоположные от него полости силового цилиндра. Распределительное устройство золотникового типа размещено в корпусе 10 клапана управления, прикрепленном к крышке 8 картера рулевого управления. Золотник 9 распределительного устройства установлен между двумя упорными шарикоподшипниками на конце винта. Посредством шайбы и регулировочной гайки 11 упорные подшипники и золотник стянуты друг с другом и имеют слева упор в кольцевой буртик винта. Длина золотника составляет на 1,1 мм больше длины проточки для него в корпусе распределительного устройства, вследствие чего золотник вместе с винтом может перемещаться в осевом направлении внутри золотниковой камеры от центрального положения. Золотник имеет цилиндрическую форму с кольцевыми проточками для протекания рабочей жидкости (масла).

При центральном положении золотника подводящее и отводящее отверстия золотниковой камеры соединяются между собой центральной проточкой золотника (обе полости картера рулевого механизма справа и слева от поршня-рейки соединены с насосом гидроусилителя и бачком для масла). Шесть реактивных пружин 13, установленных между плунжерами 14, стремятся удержать золотник в среднем (центральном) положении. При нейтральном положении наружные торцевые поверхности плунжеров частично упираются в торцевые поверхности корпуса золотниковой камеры распределительного устройства, а частично — в поверхности упорных подшипников, расположенных по обе стороны золотника и фиксирующих его в осевом направлении. Между торцами золотниковой камеры и внутренними обоймами упорных подшипников имеется зазор 1,1 мм. Усилие предварительного сжатия реактивных пружин определяет начало включения усилителя в работу.

Отличительным признаком РУ автомобилей КамАЗ является компоновка рулевого механизма с коническим (угловым) редуктором, связанным через карданную передачу с рулевым колесом. Рулевой механизм, как и у автомобиля ЗИЛ, размещен в одном корпусе с клапаном управления гидроусилителем и силовым цилиндром. В отличие от усилителя автомобиля ЗИЛ реактивные плунжеры размещены в трех отверстиях корпуса совместно с центрирующими пружинами. Рабочий ход золотника распределителя также составляет 1,1 мм. Предохранительный клапан, соединяющий магистрали высокого и низкого давления, срабатывает при давлении рабочей жидкости около 7 МПа. В гидросистеме имеется перепускной клапан, соединяющий обе полости силового цилиндра при неработающем насосе, что уменьшает сопротивление усилителя при повороте управляемых колес автомобиля.

Рассмотрим принцип действия гидроусилителя автомобиля ЗИЛ. При работе двигателя масло от лопастного насоса, имеющего привод от шкива 1 (рис. а), по шлангу высокого давления поступает в корпус распределительного устройства (направление циркуляции рабочей жидкости указано стрелками). При движении автомобиля по прямой золотник 30 находится в нейтральном (среднем) положении. Масло, подаваемое к распределительному устройству, протекает через кольцевые канавки золотника и корпуса золотниковой камеры, а также по шлангу низкого давления и, пройдя через радиатор (охладитель), поступает через сетчатый фильтр 8 в бачок усилителя.

При повороте автомобиля на его управляемые колеса действует момент сопротивления, препятствующий их вращению. Реакция от силы сопротивления (показана жирной стрелкой на рис. б, в) через детали рулевого привода передается на вал сошки 37, зубчатый сектор, рейку и винт 21 рулевого механизма.

При повороте рулевого колеса и автомобиля вправо (см. рис. б) винт, ввинчиваясь в шариковую гайку 23, перемещается на некоторое расстояние также вправо. Вместе с ним смещаются вправо от нейтрального положения золотник и его упорные подшипники 25. Перемещение возможно только в том случае, если действующая по оси винта сила окажется больше усилия сжатия реактивных пружин 33 плунжеров 34 и давления масла, воздействующего на эти плунжеры. При смещении вправо центральный буртик золотника 30 отсоединяет от сливной магистрали правую полость силового цилиндра и обеспечивает ее сообщение с напорной магистралью. Масло, поступая под давлением от насоса в эту полость, способствует перемещению поршня-рейки. Давление масла по обе стороны поршня-рейки неодинаково, поэтому создается дополнительная сила, действующая на поршень-рейку в том же направлении, что и усилие со стороны водителя, и способствующая повороту управляемых колес автомобиля вправо. В то же время проходное сечение, соединяющее левую полость силового цилиндра со сливной магистралью, увеличивается, и жидкость свободно вытесняется из нее в бачок.

Чем больше сопротивление дороги повороту управляемых колес, тем выше давление масла в рабочей полости силового цилиндра. Увеличивается также давление масла на реактивные плунжеры, пружины которых при перемещении золотника дополнительно ужимаются на величину смещения золотника от нейтрали. Возрастает и усилие, с которым золотник стремится вернуться в среднее положение, и, следовательно, увеличивается усилие, необходимое для поворота рулевого колеса. Поэтому у водителя создается соответствующее «чувство дороги». Максимальное усилие на рулевом колесе при работающем усилителе не превышает 100 Н, а при его отказе — 500 Н (обеспечивается только за счет передаточного числа рулевого механизма). Реактивное воздействие усилителя на рулевое колесо, таким образом, тем значительнее, чем больше момент сопротивления повороту управляемых колес автомобиля. Это воздействие проявляется за счет увеличивающегося со стороны плунжеров давления на тот или иной упорный подшипник, поскольку при повышении давления масла реактивные плунжеры стремятся раздвинуться в стороны.

После прекращения вращения рулевого колеса золотник за счет продолжающегося некоторое время (под воздействием давления масла) перемещения поршня-рейки 18 займет нейтральное положение, и усилитель выключится. Масло от насоса будет свободно проходить через золотник и поступать в бачок, а давление в силовом цилиндре уменьшится до необходимого для удержания управляемых колес в повернутом положении.

При повороте рулевого колеса и управляемых колес влево (см. рис. в) золотник переместится также влево (см. рис. в). В этом случае левая полость силового цилиндра соединится с напорной магистралью, а правая — со сливной. Работа усилителя будет аналогичной.

Если насос усилителя не включен или гидросистема не работает (поломка насоса, обрыв шлангов), то рулевой механизм будет работать без гидроусилителя. Для обеспечения работы рулевого механизма в этом случае служит шариковый клапан 29, который при понижении давления в системе соединяет напорную магистраль со сливной. Жидкость свободно перетекает из одной полости силового цилиндра в другую, практически не препятствуя перемещению поршня-рейки.

В качестве преобразователей энергии в гидроусилителях автомобилей применяют насосы лопастного типа двустороннего действия. Насос, как правило, с приводом через клиноременную передачу от шкива на переднем конце коленчатого вала размещается на двигателе автомобиля. В пазы ротора насоса по периферии свободно установлены лопасти 16, торцы которых при вращении ротора плотно прилегают к поверхности статора 6 насоса под действием центробежных сил и давления масла. Масло, оказавшееся в пространстве между соседними лопастями, вытесняется под давлением в полость нагнетания, откуда через отверстия распределительного диска насоса, каналы и специальное калиброванное отверстие поступает в напорный шланг 14 гидроусилителя. Чем выше частота вращения ротора, тем больше подача насоса, т. е. количество масла, поступающего в единицу времени в напорную магистраль.

Рис. Схемы работы гидроусилителя автомобиля ЗИЛ:
а — схема соединения нагнетательного масляного насоса и клапана управления; б, в — схемы работы при повороте автомобиля вправо и влево соответственно; 1 — шкив; 2 — всасывающая магистраль; 3 — полость нагнетания; 4 — пространство между статором и ротором; 5 — ротор; 6 — статор; 7 — бачок; 8 — сетчатый фильтр; 9, 15 — предохранительные клапаны; 10 — трубопровод; 77, 12, 26, 35, 36 — каналы; 13, 30 — золотники; 14 — напорный шланг гидроусилителя; 16 — лопасть; 17 — зубчатый сектор; 18 — поршень-рейка; 19 — наружная полость поршня-рейки; 20 — картер механизма; 21 — винт рулевого механизма; 22 — шарик; 23 — шариковая гайка; 24 — внутренняя полость; 25 — упорный подшипник; 27 — отверстие; 28 — корпус; 29 — шариковый клапан; 31 — гайка; 32 — пружинная шайба; 33 — пружина; 34 — плунжер; 37 — сошка

Часть масла через перепускной клапан (золотник 13) постоянно отводится в сливной бачок 7. Если давление масла превысит 7 МПа, то откроется предохранительный клапан 15 и избыточное количество масла перетечет из напорной магистрали также в бачок. Для фильтрации масла, поступающего в бачок, служит сетчатый фильтр. Помимо него на линии слива установлен фильтр 8 и предохранительный клапан 9, поджатый к фильтру пружиной. Этот клапан срабатывает при засорении фильтра 8 и повышении давления на сливе.

В крышке насоса установлен перепускной клапан, имеющий отверстия для соединения с полостью нагнетания. Клапан работает по принципу разности давления масла на его торцы. При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя разность давлений возрастает, поскольку увеличивается разность давлений масла в полости нагнетания насоса и напорном шланге гидроусилителя.

При избыточной подаче насоса перепускной клапан переместится вправо, сожмет пружину и соединит полость нагнетания через канал 12 с бачком. Пружина предохранительного клапана 15 рассчитана на его открытие при достижении предельного давления рабочей жидкости (масла).

Вопросы по теме