Рульове керування з електрогідравлічними підсилювачами
Застосування електрогідравлічних підсилювачів дозволяє економити енергію двигуна і останнім часом отримує все більше застосування.
Рис. 13. Електрогідравлічний підсилювач рульового керування з силовим циліндром у рейці
Золотниковий пристрій (рис.13) працює, як від повороту рульового колеса водієм, так і від електронної системи керування.
Рис. 14. Активне рульове керування з планетарним редуктором з електродвигуном, рейковим рульовим механізмом, гідравлічним підсилювачем та системою стабілізації керування рухом автомобіля
БМВ 5:
1 – електронний блок керування; 2 – датчик відхилення від заданого напряму руху; 3 – гідравлічний підсилювач з силовим циліндром.
Рульове керування з електричними підсилювачами
Застосування електричних підсилювачів дозволяє урізноманітнити їх розташування, впроваджувати електронні системи керування, спростити конструкцію у порівнянні з гідравлічними підсилювачами.
Електричні підсилювачі знаходять широке застосування у конструкціях рульових приводів сучасних легкових автомобілів.
Рис. 15. Електричні підсилювачі з передаванням зусилля на рульовий вал, на шестерню та на рейку рульового механізму:
На схемі ліворуч електричний підсилювач розташований на рульовому валу, у центрі - на рульовому механізму, праворуч – на рейці.
Рис. 16. Рульове керування з електричним підсилювачем
автомобіля VW з передаванням зусилля на рейку
Рис. 17. Рейкове рульове керування Toyota з електричним підсилювачем розташованим на рульовому валу
Передача зусиль від підсилювача (рис.17) здійснюється на рульовий вал, рульовий механізм і через тяги до коліс. Паралельно передаються зусилля від водія.
Рис. 18. Схема рульового керування Toyota AURIS COROLLA з електричним підсилювачем, розташованим на рульовому валу
Рис. 19. Електромеханічне рульове керування з двома механізмами приводу рейки (від зусиль водія та електродвигуна) Servoelectric компанії ZF
При розташуванні електричного підсилювача (рис.19.) на рейці, зусилля від електричного підсилювача безпосередньо передаються на рейку і на рульові тяги до коліс.
Рульові механізми
Призначені надійно забезпечувати поворот керованих коліс при невеликому зусиллі, що прикладається водієм до рульового колеса.
Це забезпечується при великому передаточному числу рульового механізму.
Разом з тим при великому передаточному числу зростає час, необхідний для повороту керованих коліс. Під час руху на великих швидкостях це недопустимо. Так для повороту керованих коліс на 300 при передаточному числу рульового механізму 50 водію необхідно зробити чотири оберти рульового колеса, на що буде витрачено біля 10 секунд, а автомобіль при швидкості 100 км/год проїде близько 50 м.
Передаточне число рульових механізмів легкових автомобілів, як правило, складає 12….20, вантажних автомобілів 15….25.
Обмеження передаточного числа пов’язано з здатністю рульового механізму передавати зусилля у зворотному напрямку – від сошки до рульового колеса.
Для істотного зменшення зворотних ударів на рульовому колесі під час наїзду на нерівності дороги, іноді застосовують рульові механізми з непостійним передаточним числом, яке збільшується в середньому положенні рульового механізму ( під час руху прямо). Це забезпечується збільшенням тертя деталей рульового механізму при середньому положенню рульового колеса.
Сучасні тенденції розвитку рульових механізмів
В залежності від типу основних робочих пар рульові механізми сучасних автомобілів поділяють на рейкові (зубчато-колісні), черв’ячні, гвинтові, планетарні і комбіновані.
Рейкові рульові механізми найбільш поширені на сучасних легкових автомобілях. До позитивної сторони таких механізмів відноситься простота та компактність конструкції, високий коефіцієнт корисної дії, простота технічного обслуговування і мала собівартість.
До негативної сторони рейкових механізмів відноситься невисоке значення передаточного числа, що потребує застосування підсилювачів.
Рис. 20. Рульове керування з рейковим рульовим механізмом:
1-чохол; 2- вкладиш; 3- пружина; 4- палець; 5- рульова тяга з наконечником; 6- кульовий шарнір; 7- зубчата рейка; 8- шестірня.
Черв’ячні рульові механізми продовжують застосовуватися на деяких легкових, вантажних автомобілях та автобусах.
В черв’ячному рульовому механізму момент передається від черв’яка, що закріплений шліцевим з’єднанням на рульовому валу до черв’ячного сектора, який встановлений на одному валу з сошкою. У багатьох рульових механізмах цього типу робочу пару виконують у вигляді глобоїдного черв’яка, а зуби замінюють роликом, що обертається на підшипниках та зменшує тертя. У такому механізмі зберігається зачеплення при великому куту повороту черв’яка. Схема такого механізму приведена на Рис. 24.
Рис. 21. Рульовий механізм типу «глобоїдний черв’як-ролик » без підсилювача:
1-ролик, 2- черв’як.
Недоліком такого механізму є мала площа кріплення до несучої системи легкового автомобіля, що при значному строку експлуатації автомобіля та корозії металу приводить до послаблення кріплення рульового механізму та зниженні безпеки руху.
Рульовий механізм типу «гвинт-гайка-рейка-сектор» застосовуються на автомобілях великої вантажопідйомності.
Конструкції таких механізмів показані на рис.25. і рис.26. Гвинти розташовані на підшипниках у корпусі механізму. Сектор виконаний як одне ціле з валом сошки. На поверхні гайки нарізана зубчата рейка, яка знаходиться в зачепленні з зубчатим сектором.
Рис. 22. Рульові механізми типу « гвинт-гайка-рейка – зубчатий сектор» без підсилювача:
1,17- гайка; 2- підшипник; 3,13,14- кільця; 4- гвинт; 5- картер; 6- поршень-рейка; 7- гідравлічний розподільник; 8- манжета; 9- ущільнювач;
10- вхідний вал; 11- вал-сектор; 12,16- кришки; 13,14,15- кільця; 18- болт.
Рис. 23. Рульові механізми типу « гвинт-гайка-рейка –зубчатий сектор» без підсилювача:
1-картер; 2- гвинт з кульовою гайкою та рейкою; 3- вал-сектор; 4,15- пробки; 5- регулювальні прокладки; 6- рульовий вал; 7,10- ущільнювачі; 8- сошка; 9,14- кришки; 11,12,13- кільця.
Рис. 24. Рейковий рульовий механізм з планетарним редуктором та електродвигуном активного рульового керування (Active Front Steering-AVS) автомобіля BMW 5:
1 – корпус рульового механізму; 2 – рейка; 3 – електродвигун;
4 – епіциклічна шестірня планетарного редуктора; 5 – сателіт; 6 – корпус планетарного редуктора; 7 – гідротрубопровод; 8 – датчик; 9 – корпус штопора; 10 – приводний вал.
Рис. 25. Схема рульового керування КАМАЗ-5320 з гідравлічним
підсилювачем та рульовим механізмом типу “гвинт-гайка-рейка-сектор “:
1 – перепускний клапан; 2 – вал сошки з зубчатим сектором; 3 – поршень – рейка; 4 – кульова гайка; 5 – гвинт; 6 – корпус гідравлічного підсилювача;
7 – запобіжний клапан рульового механізму. 8 – корпус клапана керування;
9 – золотник; 10 – радіатор; 11 – бачок насоса; 12 – насос гідравлічного підсилювача.
Рульовий привід поєднує в єдиний вузол рульову трапецію, важелі, тяги (підсилювача) з рульовим механізмом та передає відповідні зусилля від рульового механізму (підсилювача) до керованих коліс.
До рульового приводу відноситься, як правило, рульова трапеція, важелі та тяги, що поєднують рульовий механізм з рульовою трапецією. В залежності від конструкції рульовий привід може включати елементи рульового підсилювача.
Рульові приводи в залежності від компоновки можуть мати розташування рульової трапеції спереду, або позаду осі моста автомобіля.
Найбільше поширення отримує на легкових автомобілях розташування трапеції позаду осі на значній висоті від поверхні дороги, що виключає механічні пошкодження від перешкод на дорозі, пилу, води.
Підсилювачі рульового керування полегшують керування, підвищують маневрування та безпеку руху при розриву шини.
Більшість сучасних автомобілів та автобусів обладнані підсилювачами рульового керування. Ці пристрої значно полегшують керування та підвищують безпеку руху автомобіля.
Найбільше розповсюдження на вантажних автомобілях, автобусах знайшли конструкції гідравлічних підсилювачів.
Легкові автомобілі останнім часом все більше обладнують електричними підсилювачами. Конструкції пневматичних підсилювачів широкого розповсюдження не знайшли.
Рис. 26. Рульовий механізм ЗИЛ-131 типу “гвинт-гайка-рейка-сектор “ з гідравлічним підсилювачем:
1 – картер рульового механізму з кронштейном кріплення до несучої системи; 2 – нижня кришка картера; 3 – зубчатий сектор вала сошки;
4 – поршень – рейка; 5 – заглушка поршня – рейки; 6 – канал для входу (виходу) масла; 7 – гвинт рульового механізму; 8 – кульова гайка; 9 – жолоб для перекочування куль; 10, 31 кулі; 11 – ущільнююча втулка; 12 – проміжна кришка картера; 13 – золотник клапана керування гідро підсилювачем;
14 – зворотній клапан; 15 – штуцер зливу масла з гідравлічного підсилювача у масляний радіатор; 16 – ущільнююче сідло штуцера подачі масла; 17 – отвір для штуцера подачі масла; 18 – упорний підшипник гвинта;
19 – регулювальна гайка; 20 – гумовий сальник; 21 – зовнішня манжета сальника; 22 – упорне кільце сальника; 23 – конічна пружинна шайба;
24 – верхня кришка картера; 25 – корпус клапана керування; 26 – пружина плунжера; 27 – реактивний плунжер; 28 – пружне розрізне кільце гвинта;
29 – внутрішня порожнина картера; 30 – пружне розрізне кільце;
31 – установочний стопор гайки; 32 – вал сошки рульового керування;
33 – втулка вала сошки; 34 – магнітна пробка зливу масла; 35 – канал подачі масла у внутрішню порожнину картера; 36 – канал подачі масла у зовнішню порожнину картера; 37 – канал для зливу масла із гідро підсилювача;
38 – регулювальна гайка вала сошки; 39 – регулювальний гвинт осьового переміщення вала сошки; 40 – стопорна гайка гвинта; 41 – упорна шайба гвинта; 42 – бокова кришка картера.
Рис. 27. Рульовий механізм рейкового типу з гідравлічним підсилювачем
автомобіля Ауді А8 з силовим циліндром у рейці
В наведеній (рис.27) конструкції рульова тяга лівого колеса шарнірно з’єднана з лівим кінцем рейки. Рульова тяга правого колеса шарнірно з’єднана з правим кінцем рейки з поршнем. Силовий циліндр з’єднаний з корпусом рульового механізму. Права та ліва рульові тяги складаються з двох частин – трубчастої та осьової. Різьбове з’єднання трубчастої та осьової частин тяг дає можливість регулювати сходження керованих коліс.
Рис. 28. Конструкція електромеханічного рульового керування з автономними приводами рульових механізмів
Конструкцією (рис.28) вбудовано в корпусі рульового механізму дві шестеренчасті передачі від рульового колеса та від електродвигуна, які безпосередньо контактують з рейкою.
Для узгодженого керування роботою рульового керування передбачена електронна система керування підсилювачем, яка в залежності від крутного моменту на рульовому колесі створює ефективне зусилля на рейці.
Рис. 29. Схема роботи електромеханічного рульового керування з автономними приводами рульових механізмів
Рис. 30. Датчик крутного моменту рульового керування Toyota.
Датчик крутного моменту складається з багатополюсного магніту який розташований на вхідному валу і статора розташованого на вихідному валу
Рис. 31. Електричний підсилювач рульового керування Toyota з безщітковим електродвигуном та передаванням зусилля на
рульовий вал
Рис. 32. Електронна система стабілізації траекторії руху.
ESP ( Electronic Stability Programm ):
1-блок керування АБС; 2- датчик швидкості обертання колеса; 3- датчик кута повороту руля; 4- датчик бокового прискорення та кутової швидкості;
5- електронний блок керування; 6- електропривод керування подачі палива; 7- датчик тиску в гальмівній системі.
На деяких автомобіля БМВ встановлюється активна система керування передніми колесами AFS ( Active Front Steering ). Планується застосування рульового керування Steer by wire, тобто не буде жорсткого механічного зв’язку між водієм та колесами, а на кожне колесо буде встановлено свій електродвигун повороту колеса.
Рис. 33. Керування автомобілем в критичній ситуації на завороті дороги
а) - під час втрати зчеплення з поверхнею дороги передніх коліс електронна система стабілізації руху автоматично гальмує заднє ліве колесо і рульове колесо повертається у сторону занесення. б) - під час втрати зчеплення з поверхнею дороги задніх коліс гальмується переднє праве колесо і рульове колесо повертається у сторону занесення.
Рис. 34. Конструкція важеля рульового керування, що може змінювати своє положення до 200 у різні сторони при зміні напряму руху
Рис. 35. Штурвалне керування зміною напряму руху, гальмами, двигуном, тощо компанії GM Hy-Wire, Citroen
Рис. 36. Електронне штурвальне керування напрямом руху, гальмами та двигуном компанії GM
Рис.37. Електронне керування штурвального типу зміною напряму руху, гальмами, двигуном, тощо автомобіля Мерседес