Підсилювачі рульового керування

Сучасні автомобілі й автобуси найчастіше обладнані рульовими підсилювачами. Ці пристрої значно полегшують роботу водіїв і підвищують безпеку руху автомобілів. Найбільш поширені конструкції гідравлічних підсилювачів, хоча відомі автомобілебудівні фірми дедалі частіше обладнують свої, здебільшого легкові, автомобілі електричними і комбінованими (електро-гідро) підсилювачами. У минулі роки на вантажних автомобілях застосовували також пневматичні підсилювачі, однак значного поширення ці конструкції не набули.

До рульових підсилювачів висувають наступні вимоги:

- забезпечення кінематичної й силового слідкуючої дії, (кінематична слідкуюча дія, - пропорційність між кутовим переміщенням рульового колеса й кутом повороту керованих коліс; силова слідкуюча дія, - пропорційність між силою, прикладеної до рульового колеса, і силою опору повороту керованих коліс);

- збереження можливості керування автомобілем у випадку виходу з ладу підсилювача;

- забезпечення мінімального часу спрацьовування підсилювача;

- мінімальний вплив на стабілізацію керованих коліс;

- виключення можливості повільного включення від поштовхів керованих коліс.

Гідравлічний підсилювач рульового керування є гідростатичним слідкуючим приводом, що зменшує силу, яку докладає водій до рульового колеса, і забезпечує задану пропорційність між кутами повороту керованих коліс і кутом повороту рульового колеса.

Принципова схема такого гідропідсилювача подана на рис. 6.24. Джерелом енергії для системи є насос 13, що приводиться у дію від двигуна автомобіля. Робоча рідина - спеціальне мастило, зберігається у бачку 14. При роботі двигуна мастило від насоса по трубопроводу 2 підводиться до розподільника Р, що складається з корпуса 1 і золотника 4. Золотник зв'язаний рульовою тягою 12 з рульовим механізмом РМ автомобіля, корпус-тягою 6 з важелем поворотної цапфи керованого колеса 5. Розподільник з'єднаний мастилопроводами 9 і 10 із двома порожнинами силового (виконуючого) гідроциліндра СЦ.

Силовий циліндр шарнірно закріплений на рамі автомобіля. Його поршень 8 через шток може передавати зусилля на важіль поворотної цапфи керованого колеса. Мастилопровід 3 з'єднує розподільник з бачком 14.

Золотник має три паски. У корпусі розподільника є три вікна. До крайніх вікон рідина підводиться від насоса. До середнього вікна під'єднаний мастилопровід 3, по якому рідина зливається в бачок. Між пасками золотника у корпусі розподільника утворюються дві камери а і б. У корпусі розподільника, крім того, існують ще дві - реактивні камери в і г, з'єднані з камерами а і б каналами. У реактивних камерах установлені попередньо стиснуті слідкуючі (центруючі) пружини 11 і 7.

Поршень 8 поділяє внутрішній простір силового гідроциліндра на дві порожнини А і Б, до яких підведені мастилопроводи від камер а і б розподільника. Обидві порожнини циліндра, усі камери розподільника і мастилопроводи заповнені робочою рідиною.

Під час прямолінійного руху автомобіля і при відсутності значної бокової сили (боковий вітер, ухил дороги тощо), що діє на нього, золотник займає у корпусі таке середнє положення, при якому всі три вікна відкриті. Робоча рідина надходить від насоса через мастилопровід 2 у камери а і б розподільника, звідки по мастилопроводу 3 повертається у бачок насоса. Тиск рідини, що встановився у камерах а і б, передається через рідину в мастилопроводах 9 і 10 у порожнини А і Б гідроциліндра.

При повороті рульового колеса із заданою (найбільшою) силою ліворуч або праворуч рульова тяга 12 перемістить золотник в осьовому напрямку, стискаючи одну із слідкуючих пружин. Важливо зазначити, що переміщення золотника у корпусі може бути здійснене тільки за умови, що осьова сила, діюча на золотник, буде більшою, ніж сила попереднього стискання однієї з слідкуючих пружин.

Унаслідок переміщення золотника вліво або вправо камера а чи б буде відключена від мастилопроводу 3 і з'єднана тільки з нагнітальним мастилопроводом 2; одночасно інша камера буде від'єднана від мастилопроводу 2 закритим вікном і через відкрите вікно з'єднана тільки зі зливальним мастилопроводом. Тиск рідини у відкритій камері і відповідній порожнині силового циліндра зростатиме пропорційно до сили опору повороту керованого колеса 5 і перемістить поршень 8. При цьому у порожнину силового циліндра, що збільшується, рідина буде подаватися насосом під високим тиском, а зі зменшуваної порожнини витіснятися поршнем у бачок насоса під атмосферним тиском. Поршень, що переміщується, поверне кероване колесо 5 у відповідний бік.

Одночасно внаслідок зворотного зв'язку через тягу 6 корпус розподільника переміститься в тому самому напрямку, у якому раніше був зміщений золотник. При цьому тільки-но вікно розподільника відкриється, тиск рідини у робочій порожнині силового гідроциліндра зрівноважить дію сил на поршень 8 з боку керованого колеса, і поршень у циліндрі зупиниться, а подальший поворот керованого колеса 5 припиниться. Отже, куту повороту рульового колеса буде точно відповідати кут повороту керованих коліс.

Відкриття вікон у розподільнику при повороті автомобіля дещо відрізняється від цього процесу під час прямолінійного руху автомобіля. Дроселювання потоку рідини у вікнах відбувається по-різному, і тому тиск рідини у камері 6 і в порожнині Б виявляється більшим, ніжу камері а і в порожнині А настільки, щоб утримати колесо в поверненому положенні, коли на нього діє стабілізуючий момент.

У рульовому керуванні автомобілів без підсилювача збільшення опору повороту керованих коліс супроводжується зростанням зусиль, що їх потрібно докладати водієві до рульового колеса. Це створює у водія „почуття дороги".

Для імітації аналогічного відчуття при керуванні автомобілем з гідропідсилювачем в розподільнику є реактивні камери в і г, у кожній з яких тиск рідини такий самий, як і в камерах а і б. При повороті автомобіля різниця тисків рідини в реактивних камерах створює осьову силу, що діє на корпус і золотник розподільника. Осьова сила від золотника передається через рульовий механізм на рульове колесо, змінюючи у такий спосіб силу опору повороту рульового колеса і створюючи у водія звичне „почуття дороги".

Важливо зазначити, що підсилювач рульового керування може вступати в роботу не тільки під дією сил, переданих від рульового механізму, але й від реакцій дороги на керовані колеса. Припустимо, що від поштовху кероване колесо повернулося на невеликий кут праворуч. Унаслідок зворотного зв'язку колеса 5 через важіль і рульову тягу 6 з корпусом 1 останній зміщується відносно нерухомого золотника 4, тиск рідини у камері б і в порожнині Б зростає, створюючи перешкоду повороту керованого колеса. Отже, підсилювач утримує керовані колеса автомобіля у положенні, що суворо пропорційне положенню рульового колеса, підвищуючи у такий спосіб безпеку руху автомобіля. Це може відбуватися, наприклад, при раптовому виході повітря із шини одного з керованих коліс.

У розглянутій схемі розподільник Р, силовий гідроциліндр СЦ і рульовий механізм РМ розміщені роздільно. За такою схемою виконані підсилювачі, наприклад, на автомобілях ГАЗ-66, КАЗ-608. На багатьох вантажних автомобілях всі перелічені частини гідропідсилювача, окрім насоса, об'єднані у єдиний блок з рульовим механізмом. Таке конструктивне рішення застосоване, наприклад, на автомобілях КамАЗ (рис. 6.25).

Рульовий вал, розміщений усередині рульової колонки 2, зв'язаний з рульовим механізмом карданною передачею 3. Гідропідсилювач розміщений в єдиному блоці з рульовим механізмом 7. Окремо від цього блоку розміщені насос 12 з бачком 13 для робочої рідини і радіатор 4 для її охолодження. З рульовим приводом рульова сошка 9 зв'язана подовжньою рульовою тягою 8. Рульовий механізм (рис. 6.26) має кутовий редуктор з двома конічними зубчастими колесами і передачу типу „гвинт-гайка-рейка-сектор".

Картер 5 рульового механізму одночасно є корпусом гідропідсилювача. Гайка 3 з рейкою рульового механізму одночасно виконує роль поршня силового циліндра підсилювача. Розподільний слідкуючий пристрій підсилювача прикріплений до корпуса кутового редуктора. Золотник 8 розподільного пристрою закріплений на гвинті 4 через підшипник.

Під час прямолінійного руху автомобіля гвинт 4 і золотник 8 знаходяться у середньому положенні. Трубопроводи нагнітання А і зливання Б, а також порожнини С і Д гідроциліндра з'єднані між собою і робоча рідина вільно проходить від насоса 11 через розподільний пристрій у бачок.

При повороті в якийсь бік опір повертанню керованих коліс створює силу, прикладену до гвинта в осьовому напрямку. Коли ця сила перебільшить зусилля попереднього стискання однієї з слідкуючих пружин 9 гвинт і зв'язаний з ним золотник змістяться, і одна з порожнин силового циліндра підсилювача зв'яжеться з магістраллю нагнітання, в той час як інша - з магістраллю зливання рідини. Тиск робочої рідини на поршень-рейку 2 створює додаткове зусилля на зубчастому секторі вала 1 сошки рульового механізму, викликаючи поворот керованих коліс. Тиску робочій порожнині циліндра підсилювача збільшується до значення, пропорційного опору повороту коліс. Одночасно зростає тиск у порожнинах під

реактивними плунжерами. При зміні опору повороту коліс, а отже - і тиску, в робочій порожнині силового циліндра міняється зусилля, з яким золотник прагне повернутися в середнє положення, і зусилля на рульовому колесі, що забезпечує водію „почуття дороги".

Після припинення повороту рульового колеса золотник під дією слідкуючих пружин і тиску, що збільшується, у реактивних порожнинах, зміщується до середнього положення настільки, що відкривається щілина для проходу рідини у магістраль зливання. Розмір щілини встановлюється таким, щоб у порожнині, що знаходиться під напором, підтримувався тиск, необхідний для утримання керованих коліс у поверненому положенні. Якщо переднє колесо при прямолінійному русі автомобіля почне різко повертатися, наприклад, при наїзді на перешкоду, вал сошки, повертаючись, спричинить переміщення поршня-рейки. Оскільки при цьому гвинт не обертається (водій утримує рульове колесо в незмінному положенні), корпус золотника теж переміститься в осьовому напрямку. При цьому порожнина циліндра, усередині якої рухається поршень-рейка, буде з'єднана з лінією нагнітання насоса і відділена від лінії зливу. Тиску цій порожнині циліндра підвищиться, що врівноважить (пом'якшить) удар на кероване колесо.

Коли гідропідсилювач не працює, рульовий механізм, як і раніше, забезпечує поворот керованих коліс, але на його деталі діють уже повні навантаження. При цьому різко зростає зношування деталей і навіть можливі їх поломки.

Останнім часом широке застосування на легкових автомобілях мають гідропідсилювачі з роторними розподільниками. Головною особливістю такої конструкції є золотник розподільника. При повороті рульового колеса він також повертається, відкриваючи відповідні вікна у корпусі. Через ці вікна робоча рідина під тиском, що створюється гідронасосом, проходить до робочих порожнин силового гідроциліндра, а у нейтральному положенні золотника циркулює по колу: насос -розподільник - бачок - насос.

Роторні гідророзподільники мають високу чутливість, невелику металоємність, вони дуже компактні. Технологічно вони більш складні, порівняно з осьовими гідророзподільниками.

Одним із елементів пасивної безпеки сучасних автомобілів є травмо-безпечні рульові механізми. При лобовому зіткненні автомобіля з перешкодою рульовий механізм може бути причиною серйозної травми водія. Травма може бути спричинена при зминанні передньої частини автомобіля, коли весь рульовий механізм переміщується у бік водія. Водій може одержати травму також при різкому переміщенні вперед. Паси безпеки при слабкому їх натягненні не зможуть запобігти зіткненню водія з рульовим колесом і колонкою.

За статистикою, лобові зіткнення становлять більш ніж 50% усіх дорожньо-транспортних пригод. Тому як міжнародні, так і національні правила вимагають встановлення на автомобілях травмобезпечних рульових механізмів.

Основна вимога для таких механізмів - поглинання енергії удару, завдяки чому зменшуються зусилля, що завдають травми.

Крім надання рульовим колесам конічної форми, з утопленими маточинами, широке застосування мають спеціальні енергопоглинаючі елементи. Один із них-зв'язок рульового вала з рульовим механізмом за допомогою карданної передачі. При лобовому зіткненні такий вал складається і не завдає травми.

Досить поширеною на сучасних автомобілях конструкцією травмо-безпечного рульового вала є сильфон, що з'єднує рульове колесо з рульовим валом (рис. 6.27, а) або сам рульовий вал, який у верхній частині являє собою перфоровану трубу (рис. 6.27, б). На тому ж рисунку показані послідовні фази деформації такої перфорованої труби.