Виды и конструкция рулевого управления автомобиля

Для поворота автомобиля необходимо изменить угол плоскости вращения управляемых колёс (в подавляющем большинстве случаев передних) относительно продольной оси кузова. Если колесо не проскальзывает на дорожном покрытие, то траектория движения изменится, машина впишется в поворот или изменит своё положение в полосе. Выполняют отклонение узлы и детали, входящие в систему рулевого управления.

Функциональные узлы системы рулевого управления

Каждое колесо вращается в ступице, снабжённой подшипником качения. Его внутренняя обойма связана с осью колеса, обычно это цапфа – отрезок оси с резьбой, на которую накручивается удерживающая ступицу центральная гайка. Цапфа закреплена на поворотном кулаке. Наружная же обойма вращается вместе с колесом, зафиксированном на ступице колёсными болтами или шпильками с гайками.

Поворотный кулак так назван за свою способность изменять тот самый угол, для чего он закреплён в двух опорах, образующих ось поворота. Для передачи на него поворачивающего усилия служит жёстко закреплённый на нём рычаг с шаровым шарниром. На этом по схеме заканчиваются узлы подвески и начинается система рулевого управления. В неё входят:

• рулевые наконечники и соединённые с ними тяги, в случае использования определённого типа механизмов эта система снабжается дополнительными сошками и рычагами, образуя рулевую трапецию;
• рулевой механизм, преобразующий вращательные движения руля в поступательные рулевых тяг и трапеции;
• усилители и демпферы рулевого управления, обеспечивающие необходимую лёгкость и комфорт водителю в процессе управления;
• рулевая колонка, содержащая рулевой вал с узлами, обеспечивающими травмобезопасность и регулировку положения руля;
• рулевое колесо, часто с установленными на нём дополнительными устройствами, к рулевому управлению отношения не имеющими.

Конструкторы стремятся связать все узлы между собой максимально жёстко для повышения точности управления, но вместе с тем обеспечить минимальное трение в подшипниках и шарнирах для хорошей обратной связи. Даже усилители и демпферы, назначение которых, казалось бы, состоит в максимальной развязке рук водителя от управляемых колёс по прикладываемому усилию, должны пропускать силовые сигналы обратной связи. Водителю всегда надо знать состояние пятна контакта с дорогой, чтобы вовремя отреагировать на начинающийся опасный срыв оси в скольжение.

Различные используемые схемы

Тип рулевого управления в основном определяется способом преобразования в рулевом механизме. Выделяются три основных варианта:

1. Реечное управление встречается наиболее часто и практически на всех легковых автомобилях. В силу своей конфигурации оно хорошо компонуется и обеспечивает высокую точность управления. Возможно использование переменного передаточного числа в зависимости от угла поворота (прогрессивная характеристика). Удобно сочетается со всеми видами усилителей и демпферов. Они же максимально парируют основной недостаток в виде излишней прозрачности – удары могут передаваться на руки водителя с большой травмирующей силой. Конструкция также минимизирует состав набора рулевых тяг и наконечников.
2. Рулевое управление типа «червяк-глобоидальный ролик». Повсеместно применялось в прошлом, пока не было вытеснено реечным механизмом. Отличалось компактностью, хорошим блокированием обратных ударов и высокой прочностью. Вместе с тем создавало трудности с точностью управления и стабильностью характеристик во времени. Сохраняется на грузовиках и вездеходах.
3. Механизм типа «винт-шариковая гайка» характеризуется пониженным трением и способностью выдерживать высокие нагрузки. Представляет собой значительно усовершенствованный предыдущий вариант, но работает гораздо лучше и широко используется на дорогих и тяжёлых автомобилях престижного класса, а также на больших грузовиках.

Все данные механизмы снабжаются усилителями. Они в своей работе могут использовать электрические, гидравлические и смешанные принципы.

1. Электрический усилитель руля (ЭУР) находит всё большее применение на легковых автомобилях. Здесь важны такие его свойства, как компактность, быстродействие и точность. В последнее время стало особенно важным лёгкое подключение рулевого управления через ЭУР к компьютерам автомобиля, осуществляющим помощь водителю с элементами полностью автономного управления. Машины уже умеют самостоятельно парковаться, отслеживать разметку и следовать потоку без вмешательства человека. Через изменение усилия на руле также возможно передавать водителю информацию о его ошибках и рекомендации.
2. Гидроусилитель руля (ГУР) был самым массовым и до сих пор ещё применяется по разным причинам, хотя в целом уступает по функциональности электрическим. Отличается высокой мощностью благодаря прямому приводу от двигателя и надёжностью, поскольку применялся давно и широко. Недостатки связаны с наличием текучей жидкости и многочисленных уплотнений. Управлять им от компьютеров сложно, но один выход всё же есть.
3. Электрогидравлический гибридный усилитель (ЭГУР) частично избавляет от этого недостатка, поскольку в нём рабочее давление создаётся электрическим насосом, которым достаточно легко управлять. Но некоторая инертность всё же остаётся, также сохраняются все недостатки гидравлики.

Усовершенствование рулевых механизмов идёт по пути максимального внедрения в них принципов автоматического управления. Существуют системы типа AFS, где по команде компьютера можно оперативно менять суммарное передаточное число рулевого редуктора. Для этого используется дополнительная передача планетарного типа, где венец можно вращать отдельным электродвигателем. Электромоторы могут выполнять и иные функции, вплоть до полного устранения жёсткой связи между рулевым колесом и управляемыми колёсами. Подобно тому, как электричество и гидравлика берут на себя перемещение управляющих элементов в авиации и тяжёлой грузовой технике. Уровень надёжности и дублирование вполне это позволяют. При этом руление становится полностью адаптивным и помощь водителю максимальна.

Выполняемые технические задачи

Общие требования, предъявляемые к рулевому управлению задачами обеспечения безопасности движения и максимального удобства для водителя, вполне конкретны:

• автомобиль всегда должен следовать оптимальной траектории движения независимо от мешающих факторов;
• водитель не должен прилагать больших усилий к рулевому колесу, поскольку при этом он быстро утомляется и не может действовать с требуемой точностью;
• руль выполняет свои функции в пределах ограниченного числа оборотов в обе стороны, при этом управление не должно быть и чрезмерно острым;
• надёжность системы требует сохранения возможности управления при отказах дополнительных устройств, включая усилители и внешнюю электронику.

Люфт в управлении сводится к минимуму, несмотря на то, что законодательно установлены границы, измеряемые десятками градусов по углу поворота рулевого колеса. Это предельно допустимые значения, на самом деле в современной технике люфты практически отсутствуют, особенно в реечном механизме.

Правый и левый руль

В некоторых странах сохраняется левостороннее движение, поэтому многие модели машин имеют исполнения с расположением рулевого управления слева или справа в салоне. Переоборудование возможно, но затратно и запрещено законом, как и любое вмешательство в конструкцию данной системы. На некоторых видах транспортных средств используются сразу оба типа управления, что связано с удобством их применения и особым характером выполняемых задач, например, погрузчики, уборщики и прочая подобная техника.