Рулевой механизм

Рулевым называется механизм, преобразующий вращение ру­левого колеса в поступательное перемещение рулевого привода, вызывающее поворот управляемых колес автомобиля.

Рулевой механизм служит для увеличения усилия водителя, прилагаемого к рулевому колесу, и передачи его к рулевому при­воду. Увеличивать усилие водителя необходимо для облегчения уп­равления автомобилем. Увеличение усилия, прилагаемого к руле­вому колесу, происходит за счет передаточного числа рулевого механизма.

Передаточное число рулевого механизма зависит от типа авто­мобиля и составляет для различных автомобилей 15...25. Такие передаточные числа за один-два полных оборота рулевого колеса обеспечивают поворот управля-емых колес автомобиля на макси­мальные углы, равные 35...45°.

К рулевым механизмам, кроме общих требований к конструк­ции автомобиля, предъявляется ряд дополни­тельных требований. В соответствии с этими требованиями руле­вые механизмы должны обеспечивать:

– высокий КПД при передаче усилия от рулевого колеса к уп­равляемым колесам для легкости управления автомобилем и не­сколько меньший КПД в обратном направлении для уменьшения толчков и ударов на рулевом колесе

от дорожных неровностей;

– обратимость механизма, исключающую снижение стабилиза­ции управ-ляемых колес автомобиля;

– минимальный зазор в зацеплении механизма при нейтраль­ном поло-жении управляемых колес и возможность регулирования этого зазора в процессе эксплуатации;

– заданный характер изменения передаточного числа меха­низма.

Рис. 2.7 – Типы рулевых механизмов

На современных автомобилях имеют применение различные типы рулевых механизмов (рис. 2.7).

Червячные рулевые механизмы. Эти механизмы применяются на лег-ковых, грузовых автомобилях и автобусах. Наибольшее распрос­транение получили червячно-роликовые рулевые механизмы, руле­вая передача которых состоит из червяка и ролика (рис. 2.8, а). Червяк 1 имеет форму глобоида – его диаметр в средней части меньше, чем по концам. Такая форма обеспечивает надежное за­цепление червяка с роликом 3 при повороте рулевого колеса на большие углы. Ролики могут быть двухгребневыми или трехгребневыми.

Двухгребневые ролики применяются в рулевых механиз­мах легковых автомобилей, а трехгребневые – в рулевых механиз­мах грузовых авто-мобилей и автобусов.

При вращении червяка 1, закрепленного на рулевом валу 2. Момент от червяка передается ролику 3 который установлен на подшипнике на оси. Размешенной в пазу вала 4 рулевой сошки. При этом благодаря глобоидной форме червяка обеспечивается надежное зацепление его с роликом при повороте рулевого коле­са на большие углы.

Червячно-роликовые рулевые механизмы имеют небольшие габаритные размеры, надежны в работе и просты в обслуживании. Их КПД достаточно высокий и составляет 0,85 при передаче усилий от рулевого колеса на управляемые колеса и 0,7…0,8 управляемых колес к рулевому колесу. Поэтому усилия водите­ля, затрачиваемые на преодоление трения в рулевом механизме, невелики.

Рис. 2.8. Рулевые передачи: а – червячно-роликовая; б – червячно-секторная; в – винтореечная; г – реечная; 1, 5 – червяки; 2, 4, 11 – валы; 3 – ролик; 6, 10 – секторы; 7 – винт; 8 – гайка-рейка; 9 – ша­рик; 12 – рейка; 13 – шестерня

При нейтральном положении рулевого колеса передаточное число червячно-роликового рулевого механизма

,

где – начальный радиус глобоиды наименьшего сечения червя­ка;

– шаг винтовой линии червяка;

– число заходов червяка.

При повороте рулевого колеса передаточное число этого руле­вого механизма от среднего положения к крайним несколько возрастает (примерно на 5...7%). Однако при практических расчетах передаточное число червячно-роликового рулевого механизма можно считать постоянным.

Червянно-секторные (червячно-спироидные) рулевые механизмы по-лучили меньшее распространение и применяются только на гру­зовых автомобилях. Рулевая передача этих механизмов (рис. 2.8, 6) состоит из цилиндрического червяка 5 и бокового сектора 6 спиральными зубьями, который выполнен совместно с валом рулевой сошки. Механизмы имеют небольшое давление на зубья при передаче больших усилий и небольшое изнашивание. Однако из-за наличия трения скольжения их КПД низкий и равен 0,7 и 0,55 соответственно при передаче усилия от рулевого колеса и обратно.

Передаточное число червячно-секторного рулевого механизма практи-чески постоянно и равно:

,

где и – радиусы начальных окружностей соответственно червяка и сектора;

и – углы соответственно подъема винтовой линии червяка и наклона зубьев сектора;

и – число заходов червяка и число зубьев зубчатого колеса, из которого выпол­нен сектор.

Винтовые рулевые механизмы. Эти механизмы используют на тяжелых грузовых автомобилях. Наибольшее применение получи­ли винтореечные механизмы.

Винтореечная рулевая передача (рис. 2.8, в) включает в себя винт 7, шариковую гайку-рейку 8 и сектор 10, изготовленный вместе с валом 11 рулевой сошки.

Вращение винта 7 преобразуется в поступательное перемещение гайки 8, на которой нарезана рейка, находящаяся в зацеплении с зубчатым сектором 10 вала рулевой сошки. Для уменьшения трения и повышения износо-стойкости соединение винта с гай­кой осуществляется через шарики 9.

КПД винтореечного механизма в обоих направлениях почти одинаков, достаточно высокий и находится в пределах 0,8...0,85. Поэтому при винтореечном рулевом механизме применяют гид­роусилитель руля, который воспринимает толчки и удары, пере­даваемые на рулевое колесо от неровностей дороги.

Передаточное число винтореечного рулевого механизма посто­янно:

,

где – радиус начальной окружности зубьев сектора;

– шаг винта.

Винторычажные рулевые механизмы в настоящее время приме­няются редко, так как имеют низкий КПД и значительное изна­шивание, которое невозможно компенсировать регулировкой.

Зубчатые рулевые механизмы. Эти механизмы применяются в основ-ном на легковых автомобилях малого и среднего классов. Шестеренные рулевые механизмы, имеющие цилиндрические или конические шестерни, используются редко. Наибольшее применение получили реечные рулевые меха­низмы.

Реечная рулевая передача (рис. 2.8. г) состоит из шестерни 13 и рейки 12. Вращение шестерни 13, закрепленной на рулевом валу, вызывает переме-щение рейки 12. которая выполняет роль попе­речной рулевой тяги.

Реечные рулевые механизмы просты по конструкции, компакт­ны и имеют наименьшую стоимость по сравнению с рулевыми механизмами других типов. Их КПД очень высок, приблизительно одинаков в обоих направлениях и равен 0,9...0,95.

Из-за большого значения обратного КПД реечные рулевые механизмы без усилителя устанавливают на легковых автомоби­лях особо малого и малого классов, так как только в этом случае они способны поглощать толчки и удары, которые передаются от дорожных неровностей на рулевое колесо.

На легковых автомобилях более высокого класса с реечным рулевым механизмом применяют гидроусилитель руля, поглоща­ющий толчки и удары со стороны дороги.

Угловое передаточное число рулевого управления с реечным рулевым механизмом можно определить по следующей формуле:

,

где – длина поворотного рычага;

– угол среднего положения поворотного рычага при нейтральном положении управляемых колес;

– угол поворота управляемых колес;

– радиус шестерни механизма.

Из приведенной формулы следует, что угловое передаточное число рулевого управления с реечным рулевым механизмом пере­менно.

Усилие, действующее на зубчатую рейку механизма:

,

где – усилие на рулевом колесе;

– радиус рулевого коле­са;

– начальный радиус шестерни механизма.