3. Рулевой механизм

Тип рулевого механизма зависит от общего принципа действия рулевого управления. Поэтому их также можно классифицировать как: механический, механический с усилителем и гидрообъемный.

Рулевой механизм механического типа преобразует вращение рулевого колеса в угловое движение рулевой сошки, шарнирно соединенной с продольной тягой рулевой трапеции или непосредственно с ее поворотным рычагом. У легковых автомобилей рулевой механизм типа “шестерня – рейка” может являться составной частью трапеции.

Рулевой механизм, как правило, представляет собой понижающий редуктор с достаточно большим передаточным числом.

По типу выполнения различают шестеренные, червячные, винтовые, реечные и смешанные рулевые механизмы.

Эти механизмы оценивают, в первую очередь, по степени обратимости, зависящей от прямого и обратного КПД. Прямым КПД рулевого механизма оценивается передача усилия от рулевого колеса к валу рулевой сошки, а обратным - передача на рулевое колесо возмущающих воздействий управляемых колес к валу рулевой сошки. Оба КПД взаимосвязаны: при увеличении одного КПД другой уменьшается. Увеличивающиеся потери на трение внутри рулевого механизма при уменьшающемся обратном КПД ухудшают возможность самовозврата рулевого колеса в положение прямолинейного движения управляемых колес под действием стабилизирующих моментов.

Поэтому рулевые механизмы обычно выполняются на пределе обратимости с относительно высоким прямым КПД (0,75…0,85) и пониженным обратным (0,5…0,65).

Реечные рулевые механизмы отличаются высокими значениями (0,9…0,95) как прямого, так и обратного КПД.

В шестеренном двойном рулевом механизме (рис. 10.5,а) передача усилия от рулевого колеса 8 к рулевой сошке 1 с поперечной рулевой тягой 9 осуществляется двумя парами конических шестерен: первая пара шестерен 6 обычная, а вторая состоит из ведущей шестерни 4 и ведомой 3, выполненной в виде сектора. Соединяют элементы передачи внешний рулевой вал 7 и внутренние валы 5 и 2. Однако вследствие повышенных габаритов редуктора, относительно малого передаточного числа и полной обратимости передачи (прямой и обратный КПД равны), шестеренные рулевые механизмы имеют очень ограниченное применение.

В червячном рулевом механизме (рис. 10.5,б), где рулевое колесо 6 и его вал 5 соединены с обычным цилиндрическим червяком 4, находящимся в зацеплении с сектором 3 червячного колеса, рулевая сошка 2 с продольной тягой 1 соединены с сектором 3 посредством соединительного вала 7.

При наличии одного или двух спаренных управляемых колес сектор 3 устанавливается непосредственно на хвостовике вертикального поворотного вала 7.

Встречаются рулевые механизмы (рис. 10.5,в), в которых червяк 3 имеет зацепление с боковым червячным сектором 2, что обеспечивает большую площадь их контакта, и, следовательно, меньшее давление в зубьях, способствующее уменьшению их износа. Как правило, сошка 1 непосредственно крепится на хвостовике вала сектора 2.

В рассмотренных рулевых механизмах (см. рис. 10.5,б и в) предусмотрено обязательное регулирование зазора в червячной паре.

Рис. 10.5. Кинетические схемы рулевых мханизмов

В рулевом механизме с глобоидным червяком и радиальным- или трехгребневым роликом (рис. 10.5, г) при повороте рулевого вала 1 глобоидный червяк 2 заставляет поворачиваться ролик 3, перемещая его по дуге вместе с поворотной головкой 4 вала 7 сошки 6. Ролик 3 устанавливается на оси 8 обычно посредством игольчатых или шариковых подшипников 9, что снижает потери на трение в рулевом механизме в целом. Поэтому подобные рулевые механизмы имеют более высокие значения прямого и обратного КПД.

Однако эти механизмы требуют двух регулировок: осевого зазора (посредством осевого перемещения червяка 2) и зацепления червячной пары (перемещением вала 7 рулевой сошки для изменения расстояния между центрами осей червяка 2 и ролика 3). Последнее условие, обычно, осуществляется установкой вала 7 на промежуточной эксцентриковой втулке 5 или предварительным боковым смещением на 6...6,5 мм оси вала 7 сошки вместе с роликом 3 относительно проекции оси червяка 2.

Рулевые механизмы с глобоидным червяком и роликом имеют переменное передаточное число, определяемое отношением числа зубьев червячного колеса (ролик как его сектор) к числу заходов червяка. Обычно применяется однозаходный червяк. Наибольшее передаточное число рулевой механизм имеет при прямолинейном движении. При повороте ролика 3 на большие углы он сопрягается с крайними витками червяка 2 и передаточное число рулевого механизма несколько уменьшается, что увеличивает усилие на рулевом колесе. В данном случае это способствует повышению безопасности движения, как сигнал трактористу (водителю) об опасности управления трактора или автомобиля в крутых поворотах, особенно при повышенных скоростях движения.

Механический рулевой механизм с усилителем применяют на колесных тракторах, начиная с тягового класса 0,9 и выше, с целью облегчения управления. Так, при его отсутствии для поворота трактора на мягкой почве или его выезде из борозды к рулевому колесу приходится иногда прикладывать усилие до 400...500 Н, что намного превышает допустимую норму. Без усилителя затруднен поворот с малым радиусом, так как необходимо увеличение скорости поворота рулевого колеса при ограниченном времени движения трактора (до 2,5 с). Это необходимо для уменьшения ширины поворотной полосы МТА при проведении различных сельскохозяйственных и других работ.

Усилители рулевого управления на автомобилях применяются не только с целью облегчения условий труда водителя, но и с целью повышения безопасности движения, что вызвано высокими скоростями движения и плотностью транспортного потока. На легковых автомобилях ниже среднего класса усилители значительно облегчают процесс паркования.

Гидравлические усилители с золотниковыми распределителями получили наиболее широкое применение в отечественном автомобиле- и тракторостроении. В них в качестве рабочей жидкости обычно применяют минеральное масло.

Положительными качествами гидравлических усилителей являются:

-                    малое время срабатывания;

-                    малые габаритные размеры;

-                    поглощение ударов при наезде управляемых колес на препятствие, предотвращающее их передачу на рулевое колесо; Определенными их недостатками являются:

-                    некоторое ухудшение стабилизации управляемых колес из-за противодавления масла действию на них стабилизирующих моментов;

-                    необходимость применения высококачественных уплотнений в гидросистеме усилителя, исключающих подтекания масла, приводящие к отказу в работе.

Питание гидроусилителя производится от отдельного гидронасоса с автономной гидросистемой или от насоса гидронавесной системы трактора через распределительный клапан гидропотока.

Исполнительными механизмами гидроусилителя обычно являются гидроцилиндры с высокими рабочими давлениями порядка 6...10 МПа и выше, делающими их относительно компактными.

В рулевом управлении с гидроусилителем (рис. 10.6,а) рулевой привод условно представлен двуплечим рычагом 2, устанавливающим положение управляемого колеса 1 и рулевой трапеции (отсутствующей на схеме).

Рис. 10.6. Схема рулевого управления с гидроусилителем

Гидроаккумулятор 11 служит для поддержания постоянства давления в нагнетательном трубопроводе 12 гидросистемы вне зависимости от режима работы насоса 9, получающего энергию от двигателя трактора. Центрирующие пружины 5 в распределителе 15 улучшают процесс управления трактором, ограничивая усилие на рулевом колесе 7, при котором включается усилитель. Также, они удерживают золотник 14 в нейтральном положении при наезде одного из управляемых колес на неровности пути, и при разгоне и торможении трактора, что способствует стабилизации его движения. 

В рассматриваемой схеме применен распределитель с замкнутой системой циркуляции масла - распределитель с закрытым центром . По этой системе, при нейтральном положении золотника 14, его средний поясок перекрывает центральный вход нагнетательного трубопровода 12 в корпус распределителя 15.

В этом положении золотника полости гидроцилиндра 3 и их присоединительные трубопроводы 4 отсоединены от нагнетательного трубопровода 12, что соответствует выключенному состоянию гидроусилителя. Постоянно работающий насос 9 работает на перепуск масла через разгрузочный клапан 10 и подпитку гидроаккумулятора 11. Большим преимуществом подобной схемы гидроусилителя является его постоянная готовность к действию, обеспечивающая минимальное время срабатывания.

При повороте рулевого колеса 7 сошка 6 смещает золотник 14 в корпусе распределителя 15 из нейтрального положения вперед или назад (в зависимости от требуемого направления поворота). При этом одновременно нагнетательный трубопровод 12 соединяется с одним из трубопроводов 4, подающим масло под давлением в необходимую нагнетательную полость гидроцилиндра 3, а другой трубопровод 4 соединяется для слива масла из другой полости цилиндра 3 в один из сливных трубопроводов 13. Под действием давления масла поршень гидроцилиндра 3 через шток передает усилие на рычаг 2 в направлении поворота управляемого колеса 1.

Корпус распределителя 15 подвижный, так как посредством жесткой тяги 16 обратной связи соединен с рычагом 2. При этом направление движения корпуса распределителя 15 совпадает с направлением движения золотника 14. Поэтому, если повернуть рулевое колесо 7 в какую-либо сторону и прекратить вращение, то подача масла в нагнетательную полость гидроцилиндра 3 прекратится, а трактор или автомобиль будет поворачиваться с постоянным радиусом. Для совершения более крутого поворота необходимо продолжать вращение рулевого колеса 7.

Таким образом, в данной схеме гидроусилителя следящее действие осуществляется по перемещению (повороту) рулевого колеса, отличительной особенностью которого является чисто механическая обратная связь посредством тяги 16.

При отказе в работе гидронасоса 9 гидроусилитель некоторое время будет работать за счет давления жидкости в гидроаккумуляторе 11, а затем поворот возможен только за счет мускульной силы тракториста с помощью рулевого механизма с продольной тягой для перемещения золотника 14. При этом повышение усилия для управления трактором обусловлено меньшим передаточным числом рулевого механизма по сравнению с обычным. Также возрастает свободный ход рулевого колеса 7, так как требуется дополнительное перемещение золотника 14 до его упора в дно или крышку корпуса распределителя 15, чтобы затем через тягу 16 воздействовать на рычаг 2.

В распределителе, работающем по открытой системе циркуляции масла (распределителе “ с открытым центром ” ), при нейтральном положении золотника центральный канал корпуса распределителя открыт и масло под действием насоса циркулирует по замкнутому кругу: насос - распределитель - бак - насос. При этом, масло, попадая в бак, несколько охлаждается. Иногда для этой цели предусматривают специальные радиаторы. Отсутствие гидроаккумулятора в таком гидроусилителе упрощает его конструкцию. Все это является причинами достаточно широкого применения в гидроусилителях распределителей с открытым центром.

Следящее действие усилителя в значительной степени зависит от конструкции его распределителя. Следящее действие по повороту рулевого колеса было рассмотрено выше (см. рис. 10.6,а). Наряду с положительными качествами этого распределителя (пропорциональное кинематическое соответствие между поворотом рулевого колеса и поворотом управляемых колес) он имеет недостатки: из-за быстродействия системы отсутствует ощущение момента включения усилителя, а резкие удары управляемых колес, передающиеся через тягу 16 на корпус 15 распределителя, могут приводить к самопроизвольному включению усилителя, что ухудшает стабильность (курсовую устойчивость) движения.

В усилителе, обеспечивающем следящее действие по усилию на рулевом колесе при повороте управляемых колес, обратная связь обеспечивается изменением давления масла в системе его распределителя.

На рис. 10.6,б представлена принципиальная схема распределителя с открытым центром, в корпусе 1 которого установлены реактивные шайбы (иногда плунжеры) 6 и 9, поджатые центрирующими пружинами 7 и 10. Золотник 2 распределителя показан в нейтральном положении, когда вся система усилителя заполнена маслом. Масло, поступающее из центрального нагнетательного трубопровода 8, проходит по каналам в корпусе 1 и сливается через выходной трубопровод 4 обратно в бак гидросистемы.

В обеих полостях гидроцилиндра (не показан), соединенных с распределителем трубопроводами 3 и 5, устанавливается одинаковое давление слива.

При повороте рулевого колеса вначале преодолевается сопротивление пружины 7 или 10 (в зависимости от направления поворота), оказываемое перемещению золотника 2 и соответствующей шайбе 6 или 9, после чего происходит включение усилителя. По одному из каналов 3 или 5 масло под давлением поступает в необходимую полость гидроцилиндра, а по другому - на слив из полости цилиндра по каналу 4 в бак гидросистемы.

При увеличении сопротивления повороту управляемых колес увеличивается и давление масла во всей системе усилителя и в корпусе 1 распределителя. Таким образом, тракторист или водитель реально ощущает процесс поворота управляемых колес, т.е. “чувствует дорогу”.

При прекращении поворота рулевого колеса прекратится рост давления в корпусе 1 распределителя, произойдет его выравнивание в обеих полостях с реактивными шайбами 6 и 9, и золотник 2 вернется в нейтральное положение. Объемы масла в полостях цилиндра обеспечат постоянство положения управляемых колес для движения трактора или автомобиля с постоянным радиусом поворота.

Комбинированный распределитель осуществляет следящее действие как по перемещению, так и по силе сопротивления повороту рулевого колеса. При установке распределителя, представленного на схеме рис. 10.6,б, в схему на рис. 10.6,а получим схему рулевого управления с гидроусилителем комбинированного следящего действия.

По типу компоновки основных элементов гидроусилителя [распределителя и силового (силовых) гидроцилиндров] с рулевым механизмом различают две принципиальные конструктивные схемы: моноблочную и раздельную. При этом необходимо отметить, что элементы гидравлической схемы усилителя (гидронасос с перепускным клапаном, гидроаккумулятор, масляный радиатор и масляный бак с фильтром), как правило, устанавливаются отдельно от рулевого управления.

При моноблочной компоновке элементов гидроусилителя распределитель, гидроцилиндр и рулевой механизм скомпонованы в одном общем картере, что уменьшает число и длину трубопроводов гидросистемы, а также число промежуточных механических передач. Иногда картер служит полостью масляного бака. Помимо этого, установка распределителя непосредственно на валу рулевого колеса значительно повышает чувствительность системы, так как между ними практически нет промежуточных деталей, снижающих скорость прохождения исполнительного сигнала.

Недостатками моноблочной схемы являются повышенная нагрузка всех деталей рулевого механизма от усилия гидроцилиндра, а также сложности в модернизации и унификации агрегатов и ремонте гидроусилителя.

При раздельной компоновке элементов гидроусилителя гидроцилиндр всегда устанавливается отдельно от рулевого механизма, а распределитель - на картере рулевого механизма, на гидроцилиндре или непосредственно в тяге к рулевому приводу.

Достоинствами раздельных схем компоновок являются большая свобода выбора конструкций отдельных агрегатов рулевого механизма и гидроусилителя (использования стандартных гидроцилиндров), а недостатками - повышенная длина трубопроводов, которая в ряде случаев может привести к пульсации давления в гидросистеме, а, следовательно, к колебаниям управляемых колес, что нежелательно (особенно при повышенных скоростях движения).

Раздельная компоновка элементов гидроусилителя применяется обычно для поворота трактора 4К4б или специальных автомобильных шасси с шарнирно сочлененными полурамами и неповоротными относительно них колесами. На рис. 10.7 показано действие гидроусилителя при повороте полурам 7 и 9.

Рис. 10.7. Схема рулевого управления трактора с гидроусилителем  раздельного типа

Распределитель 17 установлен на корпусе рулевого механизма. Его золотник 18 закреплен на хвостовике червяка 4. Сектор 5 червячного колеса установлен на валу рулевой сошки, которая посредством тяги 6 обратной связи соединена с задней полурамой 7, что обеспечивает следящее действие гидроусилителя по перемещению рулевого колеса 3. Гидроцилиндры 11 двойного действия – образуют гидравлический рулевой привод.

Отличительной особенностью системы подачи масла в гидроцилиндры 11 и его отвода из них является установка на них клапанных коробок 14 с двумя запорными клапанами 12, поджатых пружинами 15 и не позволяющих поршню 10 произвольно перемещаться под действием внешних сил. Между торцами клапанов 12 помещен поршень-толкатель 13. Его задача - открытие запорного клапана 12 сливной полости гидроцилиндра 11 при совершении поворота трактора или автомобиля.

При прямолинейном движении золотник 18 находится в нейтральном положении и гидронасос 1 перекачивает масло из бака 2 через распределитель 17 обратно в бак 2. Предохранительный клапан 19 ограничивает давление масла до 10 МПа. Полости гидроцилиндров 11 закрыты клапанами 12, что удерживает полурамы 7 и 9 от поворота вокруг оси 8.

При повороте рулевого колеса 3 червяк 4, поворачиваясь относительно неподвижного сектора 5, перемещает золотник 18, и соответствующие нагнетательная и сливная полости распределителя 17 соединяются с клапанными коробками 14 гидроцилиндров 11.

Так как в данной схеме гидроусилителя применен распределитель 17 с центрирующими плунжерами, то при увеличении момента сопротивления развороту полурам 7 и 9 возрастает усилие для поворота рулевого колеса 3. Следовательно, гидроусилитель имеет следящее действие и по усилию на рулевом колесе, обуславливающем "чувство дороги".

Как видно из рассмотренной конструктивной схемы гидроусилителя, в этом случае используется комбинированное следящее действие - по перемещению и по усилию, что характерно для большинства гидроусилителей.

В рассмотренных механических и гидромеханических рулевых управлениях рулевой привод и рулевой механизм соединены между собой механической связью, которая в ряде случаев усложняет комплектацию МТА навесными машинами-орудиями.