Рулевое управление автомобиля устройство: БГАК — Учебные материалы — Д.В.Фокин — Современные автомобильные технологии — Теория — Рулевое управление

Назначение и устройство рулевого управления

Назначение и устройство рулевого управления

Назначение рулевого управления. Рулевое управление предназначено для обеспечения движения автомобиля по заданному водителем направлению. Оно состоит из рулевого механизма и рулевого привода. Конструкция рулевого механизма и рулевого привода должна обеспечить точность управления автомобилем, надежность работы всех узлов и деталей* не требовать от водителя затраты больших усилий и не передавать на рулевое колесо толчки, воспринимаемые колесами автомобиля.

Чтобы автомобиль двигался на повороте без бокового скольжения колес, все колеса должны совершать качение по дугам, описанным из одного центра, лежащего на продолжении задней оси автомобиля. При этом передние управляемые колеса автомобиля необходимо поворачивать на разные углы. Внутреннее (по отношению к центру поворота) колесо должно быть повернуто на больший угол, наружное колесо — на меньший угол. Такая схема поворота достигается применением в рулевом приводе трапеции с шарнирными соединениями.

Рулевой механизм. Существует несколько типов рулевого механизма. Наиболее распространенными из них являются червяк — ролик, червяк — сектор и винт — шариковая гайка.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Рулевой механизм типа червяк — ролик применяется на большинстве легковых автомобилей и многих грузовых автомобилях. На рис. 1 показано устройство рулевого механизма этого типа автомобиля ГАЗ-53А. В картере рулевого механизма на двух конических роликовых подшипниках вращается глобоидальный червяк, установленный на конце вала руля.

Рис. 1. Схема поворота управляемых колес автомобиля:
а — угол поворота внешнего колеса, Р — угол поворота внутреннего колеса; 1 — поперечная рулевая тяга, 2 — передний мост, 3 — рычаги поворотных цапф

В зацепление с червяком входит трехгребневый ролик, вращающийся на двух игольчатых подшипниках. Между подшипниками установлена распорная втулка. Ось ролика закреплена в головке вала рулевой сошки. Опорами вала рулевой сошки служат с одной стороны роликовый подшипник, а с другой — бронзовая втулка. Рулевая сошка соединена со своим валом мелкими шлицами и закреплена гайкой 15. Конец вала рулевой сошки уплотнен сальником. Для регулировки затяжки подшипников рулевого вала под нижней крышкой картера установлены прокладки.

Зацепление рабочей пары рулевого механизма выполнено таким образом, что при положении, соответствующем прямолинейному движению автомобиля, свободный ход рулевого колеса должен отсутствовать. По мере поворота руля в ту или иную сторону зазор между червяком и роликом и свободный ход I рулевого колеса возрастают. Регулировку зацепления червяка с роликом осуществляют смещением вала рулевой сошки в осевом на- I правлении при помощи регулировочного винта. Винт установлен в боковой крышке ! картера рулевого механизма, снаружи закрыт колпачковой гайкой 8 и фиксируется стопорной шайбой, закрепленной штифтом.

Рулевой механизм типа червяк — ролик обеспечивает наименьшие потери на трение. Благодаря этому требуется меньшее усилие водителя на управление автомобилем и снижается износ деталей.

У автомобилей большой грузоподъемности рулевой механизм имеет большее передаточное число для облегчения управления, при этом не допускается возникновения значительных удельных давлений между поверхностями рабочей пары.

В связи с этим на таких автомобилях применяют рулевой механизм типа червяк — сектор с большой поверхностью зацепления или механизм с двумя рабочими парами типа винт — гайка и рейка — сектор.

Рулевой механизм типа червяк — сектор наиболее прост по конструкции. В зацепление с глобоидальным червяком входит боковой сектор в виде части шестерни со спиральными зубьями, выполненный заодно целое с валом сошки. Зазор в зацеплении червяка с сектором не является постоянным. Наименьшее значение зазора соответствует среднему положению рулевого колеса.

Рис. 2. Рулевой механизм типа червяк—ролик:
1 — картер механизма, 2 — вал сошки, 3 —- трехгребневый ролик, 4 — прокладка. 5 — червяк, б — пробка, 7 — стопорная шайба, 8 — колпачковая гайка, 9 —- ось ролика, 10 — вал руля, 11 — регулировочный винт, 12 — стопорный штифт, 13 — сальник, 14 — рулевая сошка, 15 — гайка, 16 — бронзовая втулка

При повороте рулевого колеса в ту или другую сторону величина зазора увеличивается в зависимости от угла поворота, достигая максимального значения в крайних положениях. Такое распределение зазора облегчает маневрирование с большими углами поворота руля и достигается постепенным понижением высоты зубьев сектора от середины к крайним точкам. При сборке правильность установки механизма проверяют по меткам, имеющимся на червяке и секторе.

Сошка посажена на вал, вращающийся в двух игольчатых подшипниках, между которыми установлена распорная втулка. При этом зазор в зацеплении червяк — сектор легко регулируется изменением толщины упорной шайбы, расположенной между боковой поверхностью сектора и крышкой картера рулевого механизма.

Рис. 3. Рулевой механизм со встроенным гидроусилителем:
1 — шкив привода насоса, 2 — насос гидроусилителя, 3 — бачок насоса, 4 — фильтр, 5 — предохранительный клапан фильтра, б—линия слива, перепускной клапан, 8 предохранительный клапан, 9 – трубопровод высокого давления, 10 — поршень-рейка. 11 — картер рулевого механизма. 12 — винт, 13 — шарик, 14 — шариковая гайка, 15 — упорный шарикоподшипник, 16 — корпус клапана управления, 17 — обратный клапан, 18 —золотник, 19 — регулировочная гайка, 20 – пружинная шайба, 21 — пружина реактивного плунжера, 22 — реактивный плунжер, 23 — зубчатый сектор, 4 — сошка, 25 — статор насоса, 26 — ротор насоса, 27 — полость всасывания, 28 — полость нагнетания, 29 — лопасти

Рулевой механизм типа винт — гайка и рейка — сектор применяется на многих грузовых автомобилях (ЗИЛ-130, КамАЗ всех моделей и др.), устройство его показано на рис. 3.

Вал рулевого механизма, установленный в шариковых подшипниках, имеет на конце винт. На винте закреплена шариковая гайка, входящая в поршень-рейку. При повороте рулевого вала рейка-поршень перемещается вдоль его оси. Осевое перемещение рейки-поршня, имеющей на наружной поверхности зубья, вызывает поворот зубчатого сектора, установленного на валу сошки. Сошка через рулевой привод осуществляет поворот передних колес.

В гайке и винте выполнены полукруглые винтовые канавки. В них свободно перекатываются шарики. Чтобы шарики не выпадали из винтовых канавок, в пазы гаики вставлены штампованные направляющие, представляющие собой замкнутый желоб. Поворот винта вызывает перекатывание шариков по желобу. При этом они выходят с одной стороны гайки и возвращаются в нее с противоположной стороны. Наличие шариков значительно облегчает поворачивание вала рулевого механизма.

Рулевой механизм соединен с валом рулевой колонки при помощи карданного вала с двумя шарнирами. Это вызвано трудностью размещения рулевого управления обычной конструкции на автомобиле, имеющем V-образный двигатель и максимально приближенную к нему кабину.

Травмобезопасная рулевая колонка. При фронтальных ударах автомобиля, в случае аварии, водитель может быть травмирован рулевым колесом. Чтобы максимально уменьшить опасность удара водителя о рулевое колесо, на легковых автомобилях последних моделей устанавливают трав-мобезопасную рулевую колонку. Так, на автомобиле «Москвич-1500» рулевая колонка телескопического типа состоит из трубчатых частей, которые могут входить одна в другую.

При ударе о рулевое колесо нижняя часть рулевого вала получает осевое перемещение в упругой с прорезями шлицевой втулке, а верхняя и нижняя части трубы рулевой колонки входят в среднюю часть трубы. Энергия удара поглощается трением между перемещающимися деталями.

Само рулевое колесо с утопленной ступицей и мягкой накладкой снижает опасность удара о него.

Водитель, наблюдая за дорогой, управляет автомобилем при помощи рулевого управления. Назначение рулевого управления — изменять направление движения автомобиля так, чтобы при повороте автомобиля качение его колес по дороге происходило по возможности без проскальзывания. Последнее очень важно, так как боковое скольжение шин вызывает их повышенный износ и ухудшает устойчивость движения автомобиля.

Рулевое управление состоит из рулевого механизма и рулевого привода. Иногда в рулевое управление включен усилитель.

Рулевым механизмом называют замедляющую передачу, преобразующую вращение вала рулевого колеса во Вращение вала сошки. Этот механизм увеличивает приложенное к рулевому колесу усилие водителя и облегчает его работу.

Рулевым приводом называют систему тяг и рычагов, осуществляющую в совокупности с рулевым механизмом поворот автомобиля. Рулевой привод (или рулевая трапеция) служит для поворота управляемых колес автомобиля на разные углы, что необходимо для качения колес без бокового проскальзывания. Рулевая трапеция представляет собой шарнирный четырехугольник, образуемый центральной частью передней оси, поперечной рулевой тягой и поворотными рычагами. Последние соединены с поворотными цапфами, на которых насажены управляемые колеса.

Рис. 4. Схема поворота автомобиля и рулевая трапеция:
а — схема поворота; б — схема рулевой трапеции; R — радиусы поворота колес; 1 к 8 — поворотные цапфы; 2 и 6 — поворотные рычаги; 3 — передняя ось; 4 — поперечная рулевая тяга; 5 — рычаг

Рулевой механизм соединен с левой поворотной цапфой, продольной рулевой тягой и рычагом. Сошкой рулевого механизма перемещают продольную рулевую тягу вперед или назад, вызывая этим поворот управляемых колес влево или вправо.

Благодаря наличию рулевой трапеции управляемые колеса повертываются на разные углы: внутреннее (ближайшее к центру поворота) колесо на больший угол, чем внешнее. Разница в углах поворота определяется величиной угла наклона поворотных рычагов трапеции.

Схема рулевого привода передних управляемых колес, показанная на рис. 4, соответствует принятому на отечественных автомобилях расположению рулевого колеса при правостороннем движении.

Рулевое управление автомобиля — устройство и принцип работы

Рулевое управление предназначено для изменения направления движения автомобиля посредством поворота передних колес. Рассмотрим принцип работы современных типов рулевого управления машины.

Типы рулевого механизма

Самые распространенный на легковых автомобилях считается тип рулевого механизма — «шестерня-рейка» или реечный. Он легче и технологичнее, идеально подходит для переднеприводной компоновки машины и подвески McPherson, обеспечивая большую легкость и точность управления.

Рулевой механизм представляет собой расположенную горизонтально трубу, в которой перемещается рулевая рейка — стержень с нарезанными с одной стороны зубьями. Руль соединяется с рейкой при помощи карданных шарниров и ведущей шестерни. Вращательное движение руля приводит к перемещению рейки, которая через тяги поворачивает управляемые колёса.

Для удобства водителя на современных машинах применяются различные усилители рулевого управления — ЭУР и ГУР. Усилители руля предназначены для комфортного управления автомобилем, чтобы уменьшить усилие на рулевом колесе и удержать машину после резкого маневра.

Преимущество рулевого усилителя — облегчение работы рук при парковке, когда приходится совершать много оборотов баранки при максимальном усилии. Но усилитель обладает еще одним полезным свойством — он ослабляет передачу на руль ударов от неровностей дороги.

Недостатки — нехватка реактивного усилия на руле. Виноват усилитель руля — он слишком активно помогает водителю, убирая часть возвращающего усилия, которая обеспечивает «чувство автомобиля».

Еще одна проблема — чтобы на маленькой скорости руль был легким, а на ходу становился упругим и информативным. Для этих целей используется рейка с переменным профилем: в около нулевой зоне зубья треугольные, а ближе к краям — трапецеидальной формы. Шестерня входит с ними в зацепление с разным плечом, что помогает изменить передаточное отношение.

Дополнительный комфорт и безопасность привнесли системы, регулирующие усилие на руле в зависимости от скорости.

Активное рулевое управление

Главное преимущество — возможность изменять передаточное отношение между рулем и колесами авто. На пути от баранки к рулевому механизму с гидроусилителем встроена планетарная передача с электромотором.

Когда отъезжаете от тротуара, передаточное отношение минимально, а количество полных оборотов руля не более двух. С ростом скорости машины управление становится менее чувствительным, а стоит выехать на загородную трассу — электромотор, подкручивая водило планетарного редуктора, увеличит передаточное отношение.

Активное рулевое управление способно помочь в сложных ситуациях. Например, машину занесло. Компьютер, опросив датчики угла поворота руля и скорости вращения колес, включит электромотор. Тот уменьшит передаточное отношение, чтобы водителю было легче удержать автомобиль на нужной траектории. Активный руль полезен при экстренном торможении с системой АБС: если остановиться вовремя не удается, будет проще уйти от столкновения.

Вероятно, системы активного рулевого управления пропишутся на многих автомобилях, пока на смену не придет так называемое управление авто по проводам.

Управление по проводам

Будущее не за хитрой механикой или гидравликой. Инженеры работают над системами без механической связи между рулем и колесами — управление по проводам. Вращение руля отслеживает специальный датчик. Электронный блок, получая информацию о скорости, боковых и вертикальных ускорениях, посылает сигнал на актуаторы — электромоторы, поворачивающие колеса.

Преимущества очевидны. В критической ситуации автомобиль сможет самостоятельно (быстрее человека) повернуть колеса на нужный угол. Допустим, системе стабилизации не удалось предотвратить занос, и машина закрутилась. Быстродействующая электроника, опросив датчики, повернет руль на сколько нужно, и притормозит одно или пару колес.

Первой в мире серийной моделью с рулевым управлением «по проводам» стал Infiniti Q50. У данной машины в штатных режимах движения нет жесткой связи между баранкой и управляемыми колесами. А на случай неисправности электроники предусмотрена аварийная кулачковая муфта, встроенная в разрез рулевого вала.

Самостоятельность автомобиля упростит жизнь водителю: например, компьютер ловко припаркуется. А когда машины научат хорошо «видеть», то смогут объезжать препятствия.

Протянуть провода проще, чем вал с шарнирами. Рулевая трапеция получает отставку — разные углы поворота колес задают электромоторы. С точки зрения пассивной безопасности такая конструкция лучше.

ZF выводит рулевое колесо на новый уровень

Мин. время чтения

Ахим Нойвирт пишет для ZF с 2011 года. Он специализируется на написании текстов на самые разные темы, связанные с автомобилями: от автомобилей до технологий, стоящих за ними. их, к вождению и трафику.

ведешь машину, обычно хватаешься за руль, потом садишься на свое место. Во время вождения ваши руки не касаются ничего дальше руля. Рулевое колесо является первым внутренним контактом и одним из центральных человеко-машинных интерфейсов (HMI): вы «садитесь за руль» и с его помощью держите свой автомобиль «под контролем». «Некоторые пользователи оценивают качество всего автомобиля только по рулевому колесу, — говорит Марк Шледорн, старший менеджер по передовым разработкам систем рулевого управления в ZF.

Даже если доля автономных шаттлов и такси увеличится в ближайшее десятилетие, неавтоматические или полуавтоматические легковые и коммерческие автомобили будут существовать еще долго, как и рулевое колесо. Однако его форма и функции меняются. Рулевое колесо должно будет соответствовать новым требованиям производителей автомобилей и клиентов. Эти изменения в основном касаются дизайна интерьера, автоматизированного вождения и безопасности, а также требований законодательства и рынка.

Как это будет выглядеть?

Как это будет выглядеть?

Будь то больше места (например, в электромобилях), более четкий обзор дисплеев или и то, и другое, диаметр рулевого колеса продолжает уменьшаться. С 1950-х годов поддержка систем рулевого управления с усилителем в спортивных автомобилях позволила сделать рулевые колеса еще меньше. Электронное управление, аналогичное тому, что используется в самолетах (fly-by-wire), даст гораздо больше возможностей. При управлении по проводам колеса автомобиля и рулевое колесо больше не связаны механически, поэтому рулевое колесо не двигается, пока автопилот находится под управлением. Вместо этого приводы с электронным управлением заботятся об угле поворота руля. В результате форма рулевого колеса больше не должна повторять традиционную функцию рулевого управления. По крайней мере, теоретически.

На практике рули ZF в обозримом будущем останутся круглыми до прямоугольных, со всеми промежуточными вариантами — от частично сплющенных до восьмиугольных. Эти закрытые формы обода рулевого колеса доказали свою эффективность в прошлом; они привычны водителю и эргономичны. Пространство между ободом значительно изменится; однако с различными элементами управления.

Этапы эволюции рулевого колеса легкового автомобиля для ручного, автоматизированного и автоматизированного вождения.

Какова будет его функция?

Какова будет его функция?

На этом центральном элементе управления можно сымитировать знакомые кнопки на рулевом колесе практически любой функции, формы и цвета. «Производитель автомобиля принимает решение о точной функции. Тем не менее, ZF предлагает значительную гибкость конструкции», — говорит разработчик ZF. В результате одной системы рулевого колеса вскоре может быть достаточно для OEM-производителей, чтобы придать автомобилям на разных платформах бренд и уникальные характеристики, которые отличают OEM-модели.

Новые варианты дисплея и подсветки также можно найти на поверхности обода. В целом, они могут способствовать обеспечению безопасности и четкой связи между автомобилем и водителем: например, отправляя дополнительные предупреждающие сигналы, когда электронные помощники обнаруживают опасность. Или сигнализируя красной подсветкой во время автоматизированного вождения о том, что водитель-человек должен восстановить контроль над транспортным средством. Действительно ли водитель держится за руль, определяется ободом рулевого колеса с помощью функции обнаружения включения/выключения рук (HOD). В легковых автомобилях это уже ультрасовременно; в грузовиках, это будет скоро.

Подсветка рулевого колеса важна как для дизайна салона, так и для безопасности. Эти функции особенно популярны на азиатских рынках. «Цифровые автомобили являются решающим фактором имиджа и престижа», — говорит Шледорн.

Каково это будет?

Каково это будет?

Осязаемые швы, выступающие поворотные и нажимные кнопки, резкий запах кожи — эти особенности не будут столь заметными в следующих поколениях рулей. Общий тренд — «бесшовный дизайн», и его нужно понимать буквально. Обод образует замкнутый блок, который сливается в гладкий центральный элемент управления с виртуальными кнопками.

Что за этим стоит?

Что за этим стоит?

Программное обеспечение является основой для индивидуальной настройки кнопок и дисплеев – будь то производитель автомобиля или сами водители. Каждое будущее рулевое колесо ZF должно быть предварительно запрограммировано таким образом. Он также обеспечивает основу для отображения так называемых функций по запросу с помощью рулевого колеса. «Примером могут служить помощники в пробках на арендованных автомобилях», — объясняет Шледорн. Интегрированное программное обеспечение предназначено для обеспечения бесперебойной связи между рулевым колесом и другими системами HMI в автомобиле.

Сенсорные коврики под крышкой включают функцию HOD. Усовершенствованные рулевые колеса делают это в нескольких зонах. Они не только распознают, схватился ли водитель за руль, но и где. Электронные блоки управления (ЭБУ) обрабатывают информацию и отправляют команды. Сокращение также является девизом здесь: «До сих пор использовалось до трех ЭБУ. В автомобилях следующего поколения может быть достаточно только одного блока управления, который соответственно более мощный и органично интегрирован в вышестоящую электронную архитектуру автомобиля. поддерживают передовую электронику рулевого колеса», — говорит Марк Шледорн.

И после этого?

И после этого?

Так называемые кинематические рули складываются и буквально уходят в приборную панель. Авиационные гудки или руль с одной рукояткой слева и справа напоминают Формулу 1. Однако такой дизайн рулевого колеса связан с далеким видением: высокоавтоматизированные системы вождения или рулевого управления с технологией электронного управления обеспечивают новую свободу дизайна. Таким образом, руль еще некоторое время будет находиться в автомобиле.

Краткая история рулевых колес

Добавлено 16 июня 2021 г.
 Морган Притчетт  автомобильная история, автомобильная история

Комментариев нет

Уменьшить размер шрифта
Увеличить размер шрифта
Размер текста
Распечатай эту страницу

Отправить по электронной почте

Фото: Chevrolet

Хотите верьте, хотите нет, но самые первые автомобили приводились в движение не рулевым колесом, а чем-то, что называлось «румпель». Первое рулевое колесо не использовалось примерно через десять лет после того, как был запатентован первый автомобиль. Какой бы сухой тема ни казалась на первый взгляд, история рулевых колес на самом деле довольно интересна.


Взгляд в будущее: Все, что мы знаем об электрификации Silverado EV -лошадиных сил Panhard для участия в гонке Париж-Руан. Но только в 1898 году рулевые колеса стали стандартом для некоторых автомобилей. Как только они были введены, стало ясно, что они необходимы и останутся в транспортных средствах, движущихся вперед. К 1904, все модели Rambler — одна из немногих массовых машин того времени — поставлялись с рулевым колесом, а румпель был практически уничтожен в течение десяти лет.

Необходимые изменения

В течение примерно двух десятилетий после этого рулевые колеса были невероятно простыми: деревянные круги, напрямую связанные с осью колеса. Они не выполняли никакой другой задачи, и их было очень трудно поворачивать, особенно на низких скоростях или в неподвижном состоянии.

Несмотря на то, что патенты на рулевое управление с усилителем циркулировали еще в самом рулевом колесе, прошло довольно много времени, прежде чем эти системы стали использоваться. В 19В 20-х годах инженер по имени Фрэнсис В. Дэвис хотел немного облегчить управление грузовиком и изобрел первую систему рулевого управления с усилителем, которая должна была быть установлена ​​на транспортном средстве.

В 1926 году Дэвис подписал контракт, по которому его технология должна была применяться к будущим моделям Cadillac. К сожалению, экономический кризис, вызванный Великой депрессией, привел к расторжению контракта в 1934 году.

1956 Chevrolet Bel Air Convertible, интерьер
Фото: Рэнди фон Лиски через CC

Возрождение гидроусилителя руля

Что, наконец, привело к взрывоопасному использованию гидроусилителя руля во время Второй мировой войны. Военным нужны были легкоуправляемые боевые машины, и в 1940 году они начали устанавливать системы рулевого управления с усилителем на автомобили Chevrolet, бронированные для британской армии. К концу войны примерно 10 000 автомобилей подверглись аналогичной обработке, и после этого производители автомобилей начали разрабатывать технологии рулевого управления с усилителем. Некоторые из них были гидравлическими, некоторые электрическими, а третьи — смесью двух.

Дополнения к рулевому колесу

В течение примерно 60 лет у рулевого колеса не было другой цели, кроме поворота автомобиля и обеспечения поверхности, по которой можно было стучать клаксоном. Но в 1960 году некоторые автопроизводители начали устанавливать переключатели управления круиз-контролем на руль. Только в 1990 году начали появляться новые гаджеты и инновации на рулевом колесе.


Безопасность превыше всего: Подключенные услуги OnStar доступны одним нажатием кнопки


По мере развития автомобильных технологий росла и потребность в кнопках и переключателях. Некоторые из них были перенесены на рулевое колесо, например элементы управления аудиосистемой, автомобильным компьютером и другими изящными функциями, такими как голосовое управление, — и, по сути, это то, где мы находимся сегодня.