Без выходных 8:00-21:00

Устройство и принцип работы рулевой рейки

 

 

Управление автомобилем подразумевает изменение положения его колёс относительно дорожного полотна. Причём при криволинейном движении их взаимное расположение должно подчиняться определённым законам исходя из разных радиусов описываемых при повороте внешних и внутренних окружностей. Таким образом, узел контроля положения колёс должен автоматически обеспечивать их пространственное позиционирование. Реечное управление служит одним из способов практической реализации такой задачи.

 

Принцип работы

 

Рассмотрим, что такое рулевая рейка, устройство и принцип работы узла. Реечная конструкция — распространённый способ управления углом поворота колёс машины. Принцип работы рулевой рейки прост и заключается в передаче момента вращения руля через карданный и зубчатый вал на горизонтальный реечный механизм, поступательное движение которого через специальные наконечники с рычагами обеспечивает поворот колёс вокруг их мнимой оси (кастора).

 

 

Для реализации этой идеи используется реечно-зубчатое зацепление. Вне зависимости от того, каким автопроизводителем выпущена рулевая рейка, устройство и принцип её аналогичен для всех автомобилей. По сути, это соединённые между собой две шестерёнки, обод одной из которых распрямлён. Вторая шестерня — зубчатый валик — соединяется через приводной вал с рулём для передачи крутящего момента от водителя через рейку к колёсам. Такая конструкция совмещает в одном узле два важных преимущества:

  1. Редукция усилия, требуемого для поворота руля.
  2. Преобразование кругового движения в линейное.

Поступательное движение ограничено диапазоном сдвига колёс при поворотах, что заложено конструкцией авто. На большинстве машин перемещение рейки от левой до правой мёртвой точки требует от 2,5 до 4 полных оборота руля.

Для понимания связи между вращением руля и смещением колёс относительно оси движения существует понятие коэффициента передачи, численно равного соотношению углов их поворота (в градусах). Например, если полный оборот руля (360°) инициирует сдвиг колёс на 20°, то передаточное число 360°/20°=18. В общем случае для машин лёгкого и спортивного класса цифры, характеризующие коэффициент передачи, будут ниже, чем для более массивных автомобилей — автобусов и грузовиков.

  

Устройство рулевой рейки

 

Мы поняли, что это механизм для передачи на колёса поворотного усилия, прилагаемого водителем к рулю автомобиля. Ввиду простоты и удобства данная конструкция повсеместно используется для задания курса движения легковых машин, небольших грузовиков и SUV.

Схема конструкции отдельно от колёс в упрощённом виде представлена на картинке.

 

 

 

Как видно, рулевая рейка построена на взаимодействии зацепления зубьев с шестерёнчатым валиком. Стоит выделить 4 основных узла, из чего состоит рулевая рейка:

  • руль управления движением автомобиля;
  • вал для передачи крутящего момента на ведущую шестерню;
  • рейка, перемещающаяся линейно под воздействием зацепления;
  • рулевые наконечники, передающие поступательное движение через шарнир на поворотные рычаги колёс.

В зависимости от типа, механизм может быть оснащён устройствами для облегчения вращения руля — гидравлическим или электрическим усилителем. Кроме этого, конструкция обеспечивает смещение колёс под разными углами, что соответствует геометрии внешнего и внутреннего радиусов поворота, что видно из рисунка.

 

 

 

Каждый элемент реечной системы управления выполняет определённую функцию, которые стоит рассмотреть подробнее.

 

Рулевое колесо (или руль)

 

Руль автомобиля — это устройство для управления движением авто в заданном направлении. Он жёстко сцепляется через зубчатое посадочное место с валом рулевой колонки, которая передаёт усилия вращения на рейку.

 

 

На современные автомобильные рули также возложены дополнительные функции:

  • управления бортовыми системами с помощью встроенных кнопок (так называемые мультимедийные или мультирули);
  • снижение травматизма за счёт внедрения в центральную часть рулевого колеса подушки безопасности.

По требованиям техрегламента руль обязан быть жёстко зафиксирован на валу без люфта и свободного перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскости и по выносу.

 

Рулевой вал

 

Вращательное движение руля передаётся посредством вала, который может состоять из нескольких ориентированных разнонаправленно частей, что обусловливается геометрией конструкции авто.

 

 

Между собой они сопрягаются посредством карданных механизмов. Для соединения с рулём используется жёсткая схема.

 

Рулевая рейка

 

Перемещаемая горизонтально рейка (зелёного цвета на рисунке ниже) выполнена в виде единого жёсткого элемента с насечкой для зацепления с зубчатым валиком (сине-оранжевая часть), приводимым во вращательное движение синхронно с поворотом руля.

 

 

 

По обоим концам узла имеются гнёзда для шарнирного или резьбового соединения со специальными наконечниками, связанными с рычагами поворота колёс.

 

Рулевые тяги

 

Непосредственную передачу усилия на колёса осуществляют связанные со ступичным блоком тяги (на рисунке изображены голубым цветом).

 

 

 

В конструкции учитывается необходимость обеспечения разности углов поворота внутреннего и наружного колёс. Особенностью тяг является способность передавать как поступательные, так и вращательные движения.

 

Рулевой наконечник

 

Поскольку рейка закреплена таким образом, что может совершать только линейное смещение по горизонтали, а колёса изменяют своё положение в трёх плоскостях, для передачи на них поворотного усилия используются рулевые наконечники (на рисунке внизу окрашены в фиолетовый цвет).

 

 

 

Наконечники выполнены в виде шарниров с пальцами для резьбового соединения и регулировки длины с целью коррекции углов поворота.

 

Демпфер

 

Демпфер — это амортизатор двустороннего действия, устанавливаемый на рулевую рейку между тягами и корпусом. Он традиционно применяется на внедорожниках и заднеприводных автомобилях премиального класса. Демпфер повышает курсовую устойчивость авто, минимизирует биение руля при движении по неровным покрытиям, продлевает срок службы рейки.

 

 

Также существует демпфер рулевого вала, устанавливаемый на колонку автомобилей с ЭУР.

 

Виды рулевых реек

 

Работа простейшей червячно-реечной пары может быть реализована без привлечения дополнительных устройств, помогающих вращать рулевое колесо. Стремление облегчить усилия водителя привело к оснащению механизма специальными блоками, освобождающими от необходимости напрягаться для осуществления манёвра. По мере своего развития схема последовательно совершенствовалась, пройдя три ступени улучшений, и реализуется в следующих типах:

  1. Механическая (ручной).
  2. С гидроусилителем руля (ГУР).
  3. С электрическим усилителем руля (ЭУР).

Поскольку на автомобильном рынке имеются машины, использующие все указанные варианты реечного управления, следует рассмотреть их подробнее.  

 

Механическая рулевая рейка

 

Это самый простой вид конструкции, представляющий собой прямой привод крутящего момента от руля через согласующий карданный вал и зубчатый валик. Схематически механическая рулевая рейка представлена на рисунке.

 

 

 

Очевидными недостатками такого решения будут необходимость приложения значительного усилия к рулю (что может ограничивать круг лиц, способных управлять такой машиной) и передача неровностей дороги, ухабов, толчков и ударов на руки шофера, передаваемые на кузов авто вибрации.

Стремление уменьшить затраты сил водителя на управление движением привело к появлению гидравлических и электрических устройств, усиливающих крутящий момент.  

  

Гидравлическая рулевая рейка

 

Самая распространённая схема с ГУР представлена на рисунке. Гидравлическая рулевая рейка работает по схеме, заключающейся в перемещении синхронно с поворотом руля водителя под воздействием перепада давления в жидкости поршня. Принцип работы рулевой рейки с гидроусилителем изображён на рисунке.

 

 

 

Связь зубчатого валика (pinion) с рейкой (rack) обычная, однако в месте его сопряжения с валом рулевой колонки (steering column), имеются специальные поворотные клапаны (rotary valve), регулирующие направление подачи жидкости (окрашена на схеме в оранжевый цвет) под давлением от насоса (from pump). При повороте, например, руля вправо, давление через клапан передаётся по нижней (по схеме) жидкостной магистрали (fluid line) в часть цилиндра справа от поршня. При этом он (piston), жёстко связанной с рейкой (rack), помогает ей перемещаться влево (по схеме) и выдавливает лишнюю жидкость, которая направляется поворотным клапаном в расширительный бачок (to reservoir). При вращении руля в другую сторону направление циркуляции масла изменяется на противоположное.

Устройство гидравлической рулевой рейки требует дополнительной установки на двигатель насоса ГУР, отбирающего определённую мощность с мотора. Кроме того, устройство рулевой рейки с гидроусилителем подразумевает работу ГУР только при запущенном двигателе, когда достигается номинальное давление гидравлической жидкости в замкнутом контуре.

 

Электрическая рулевая рейка

 

Электрическая рулевая рейка — это вариант облегчения прилагаемого водителем к рулю усилия с использованием электромотора, связанного червячным зацеплением с шестернёй, закреплённой на рулевом валу.

Принцип работы электрической рулевой рейки прост: контроллер двигателя синхронизирует направление его вращения с движениями рук шофера. Такое решение делает движение руля лёгким, почти не требующим усилий.

Однако простая червячно-шестерёнчатая пара имеет одну особенность, которая заключается в том, что передача крутящего момента возможна только в одном направлении — от червяка к ведомому ободу шестерни. В обратном порядке механизм блокируется. Поэтому использование простой шестерни не решает проблемы, и приходится усложнять червячную передачу, дополняя её планетарным узлом с тремя сателлитами для связи усилителя крутящего момента с приводом зубчатого вала.

 

 

 

На рисунке выше изображена электрическая рулевая рейка: устройство и принцип работы этого узла. Стрелками показано воздействие дополнительного усилия через червячную передачу и сателлиты на приводной вал перемещения. В случае отказа электромотора такая конструкция обеспечивает возможность ручного управления движением, что иллюстрирует рисунок внизу.

 

 

 

Так, если в червячном зацеплении возникли неполадки и оно блокируется, крутящий момент беспрепятственно передаётся напрямую от рук водителя через реечный механизм поворота к колёсам (показано голубыми стрелками). При этом потребуется лишь приложить больше сил ввиду выхода из строя электрического усилителя руля, однако управляемость автомобиля не пострадает.

 

Преимущества и недостатки

 

Использование зубчатого зацепления для перемещения рейки, управляющей поворотом колёс, имеет как плюсы, так и минусы. Их необходимо учитывать при выборе авто, поскольку надёжная управляемость — это важнейший принцип безопасности движения. Здесь многое зависит не только от того, какая рейка, устройство усиления какого типа используется и как реализовано. Немалую роль в надёжности механизма играет оригинальность узла. Именно по этой причине контрактные рейки гораздо надёжнее и долговечнее, чем новые дубликаты, выпущенные в странах третьего мира без контроля со стороны автопроизводителя.

 

Плюсы реечного рулевого механизма

 

При сравнении реечного варианта рулевого управления с другими следует принять во внимание ряд очевидных преимуществ:

  • ввиду меньшего количества задействованных элементов и точек их сопряжения реечный механизм быстрее реагирует на воздействие и легче поддаётся контролю;
  • меньший вес конструкции способствует улучшению эксплуатационных и скоростных характеристик авто;
  • реечное управление обеспечивает лучшее «чувство руления», что существенно увеличивает безопасность при движении по мокрым и скользким участкам;
  • ремонт и восстановление проще по двум причинам — меньшее количество составляющих узел элементов и широкое распространение механизма.

Упомянутые соображения способствуют широкому внедрению и усовершенствованию различных вариантов реечного управления в автомобилестроении.

 

Минусы реечного рулевого механизма

 

Популярность использования этого технического решения на множестве автомобилей перевешивает недостатки, из которых можно перечислить следующие.

Для механических и гидравлических систем:

  • ускоренный износ элементов вследствие повышенной нагрузки, что является платой за простоту узла управления, состоящего из небольшого числа деталей;
  • чувствительность реечного механизма к качеству дорожного покрытия, особенно заметная на полноприводных внедорожниках при съезде на неподготовленную к передвижению местность, когда трудность управления резко возрастает;
  • восприимчивость к вибрациям, передающимся через рулевое колесо водителю;
  • утечки технологической жидкости.

Дополнительные устройства, использующие электроэнергию для питания усилителей руля, характеризуют следующие минусы:

  • более высокая цена;
  • необходимость специального оборудования для диагностики электронного блока управления;
  • сложность самостоятельного ремонта.

Какой бы ни была рулевая рейка, принцип действия механизма аналогичен, а все различия заключаются лишь в выборе схемы увеличения передаваемого водителем посредством поворота руля усилия.

 

Заключение

 

Применение практически всеми производителями на разных автомобилях реек и развитие различных принципов усиления актуации доказывает жизнеспособность схемы. Дальнейшее её развитие очевидно пойдёт по направлению использования электроэнергии как для управления, так и для силового блока. Если рейка вашего автомобиля вышла из строя, то в «АвтоСтронг» можно купить её для любой марки и модели авто зарубежного производства.  Также всегда в наличии большой выбор ДВС, КПП, шин и дисков, а также множества других запчастей для иномарок с доставкой по всей России.


Поделиться статьей с друзьями:

Обратный звонок