Рулевое управление — сложный комплекс технических и геометрических проблем, которые и по сей день решаются автомобильными конструкторскими бюро совместно с производителями автокомпонентов. По какому пути идет развитие в области управляемости автомобилей, мы решили выяснить на примерах современных конструкторских разработок.

Поворотные оси появились на конных экипажах в начале ХIX века. Эта конструкция перешла и на первые автомобили, а несколько позже появилась рулевая трапеция. В те далекие годы, конечно, никто и не предполагал, что рулевое управление станет таким сложным: механика вступит в союз с гидравликой и даже электроникой. И роль механики в этом союзе остается весьма существенной.

Сначала — о самих рулевых механизмах, коих на автомобиле насчитывается три типа. Один из них носит неаппетитное название — червячный, потому что в нем вращающий момент передается от червяка (это разновидность винта), закрепленного на рулевом валу, к зубчатому сектору, установленному на одном валу с сошкой. У многих рулевых механизмов червяк выполнен глобоидным (образующая глобоидного червяка — дуга окружности), а зубья сектора заменяют роликом, вращающемся на подшипнике. Такой механизм хорошо знаком по грузовику ГАЗ-3307. В настоящее время этот тип рулевого механизма применяется значительно реже, уступая свое место в рулевых приводах грузовых и легковых автомобилей классической компоновки более сложным устройствам типа «винт — шариковая гайка». В данном типе рулевого механизма винт, которым оканчивается рулевой вал, через циркулирующие по резьбе шарики толкает вдоль своей оси поршень-рейку. А тот в свою очередь поворачивает зубчатый сектор рулевой сошки. С распространением переднего привода на легковых автомобилях и легких грузовиках начал входить в моду реечный рулевой механизм, относящийся к типу шестеренных, где передаточная пара выполнена в виде шестерни и зубчатой рейки. Вращение шестерни, закрепленной на рулевом валу, вызывает перемещение рейки, которая выполняет роль поперечной тяги. Со временем выяснилось, что механизм «шестерня-рейка», будучи легче и технологичнее других механизмов, идеально подходит для переднеприводной компоновки и подвески McPherson, обеспечивая большую легкость и точность рулевого управления. И теперь подавляющее большинство механизмов на легковых автомобилях — реечные. А грузовые машины, пикапы и большие внедорожники по-прежнему довольствуются устройствами с винтом и гайкой на циркулирующих шариках.

Союз механики и гидравлики в рулевых механизмах возник не сразу. Долгое время автомобильные конструкторы и не помышляли об усилителях руля. Невысокие требования к управляемости и комфорту, а также небольшое пятно контакта сравнительно узких шин позволяли обходиться одной человеческой силой даже в управлении тяжелыми грузовиками. Средство для уменьшения усилия на руле было одно: увеличить передаточное отношение привода и диаметр баранки. А с тем, что водителю придется крутить огромный руль пять-шесть оборотов от отбоя до отбоя, да и точность управления будет невысокой, приходилось мириться. Первые усилители рулевого управления появились на тяжелой технике — карьерных самосвалах. Правда, сначала стали использовать пневмоусилители — они были несложными и работали от компрессора уже существующих пневматических тормозов. В еще не совсем забытом прошлом пневматический усилитель рулевого управления применялся на некоторых моделях большой грузоподъемности Кременчугского автозавода. Воздух, как известно, имеет свойство сжиматься, и поэтому массивный силовой цилиндр откликался на команды водителя с заметной задумчивостью. Гидравлика, появившаяся несколько позже, хоть и была сложнее и дороже пневматики, работала тише и точнее. На ней и остановились конструкторы.

Исполнительный механизм современного гидроусилителя, как правило, выполнен заодно с рулевым механизмом — такие усилители называют интегральными. Насос гидроусилителя, приводимый от двигателя шестеренчатой или ременной передачей, нагнетает масло под высоким давлением (100–160 бар) в золотниковый распределитель, находящийся в корпусе рулевого механизма. Задача распределителя — отслеживать усилие на руле и строго дозировано помогать поворачивать управляемые колеса. Для этого используют следящее дозирующее устройство — чаще всего это торсион, встроенный в разрез рулевого вала. Когда машина стоит или едет по прямой, то усилия на рулевом валу нет, и, соответственно, перекрыты дозирующие каналы распределителя, а масло возвращается в резервуар. Водитель поворачивает руль, колеса сопротивляются, и торсион закручивается тем сильнее, чем больше усилия на руле. Золотник открывает каналы и направляет масло в исполнительное устройство. В механизме типа «винт – шариковая гайка» избыточное давление подается в полость за поршнем или перед ним, помогая тому перемещаться вдоль рулевого вала. А в реечном механизме масло подается в корпус механизма — в ту или иную сторону от поршня, связанного с рейкой, и подталкивает ее вправо или влево.

Иногда гидроусилитель, очень активно помогая водителю, оказывает ему еще и медвежью услугу, убирая ту часть возвращающего усилия, которое и обеспечивает чувство автомобиля. Поэтому задача конструкторов при разработке и настройке ходовой части оказывается сложной. Ведь чтобы добиться хорошей информативности рулевого привода и одновременно не сделать баранку слишком тугой, нужно увязать воедино массу факторов: производительность насоса, параметры золотника и жесткость торсиона, геометрию передней подвески и увод шин. В конечном итоге, хорошо бы сделать так, чтобы на маленькой скорости руль был легким, а на большой становился более упругим и информативным. Решение нашлось в конструкциях с нелинейной характеристикой усилителя. Например, в гидроусилителе ZF Servocomtronic, разработанном компанией ZF (Германия), на помощь золотнику приходит электрогидравлический модулятор давления. С ростом скорости по сигналу электронного блока управления гидравлический модулятор ограничивает давление в рабочем контуре, и помощь гидроусилителя существенно уменьшается. Таким образом, при движении с высокими скоростями обеспечивается управление поворотами автомобиля в оптимальном режиме. Важно, что в этой системе давление, нагнетаемое насосом, а также расход масла никогда не снижаются, а значит, максимальные параметры могут быть немедленно востребованы при управлении в критических ситуациях. Сейчас рулевой механизм ZF Servocomtronic успешно используется на туристическом автобусе Neoplan Starliner.

Другое конструкторское решение применено в рулевом управлении тяжелого грузовика Freightliner Cascadia. Эта модель, несмотря на зависимую подвеску, имеет уже знакомый нам реечный рулевой механизм с гидроусилителем. Располагается он позади балки передней оси, на месте теперь уже воображаемой поперечной рулевой тяги. Свойственное рейке небольшое передаточное отношение, высокий КПД и равномерное собственное демпфирование повышают точность рулевого управления и обеспечивают грузовику лучшую маневренность, а водителю — более легкое руление и, следовательно, дополнительный комфорт. Кстати, это первое реечное управление, примененное на тяжелом грузовике. Своим появлением оно ставит под сомнение общее правило, упоминающее о невозможности применения реечного рулевого механизма на шасси с зависимой подвеской. И возможно, это конструкторское направление будет интенсивно развиваться.

Источник: http://www.park5.ru