вижным вследствие низкого давления в полости над ним. Под действием верхнего поршня вниз начнет перемещаться направляющая втулка 12, а после упора втулки в выступ на толкателе малого поршня 18 вниз будет перемещаться и толкатель. Толкатель 18 переместит вниз малый поршень 13, который закроет клапан нижней секции, отсоединив полость В от атмосферы, а затем соединит полость Б и полость В. Сжатый воздух из ресивера будет поступать в контур передних колес, которые будут затормаживаться.

При разгерметизации привода передних колес водитель почувствует уменьшение сопротивления перемещению тормозной педали, а также снижение тормозного момента; в торможении принимают участие только тормозные механизмы задних колес. Из поврежденного

22

Практическая работа №4

ГИДРАВЛИЧЕСИКИЙ УСИЛИТЕЛЬ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ

Цель работы – изучение конструкции и принципа работы гидравлического усилителя рулевого управления автомобиля ЗИЛ-431410.

Введение

Постепенное утяжеление автомобилей, увеличение нагрузки на управляемые колеса значительно усложнило управление автомобилем.

ления. Удовлетворить требования, предъявляемые к рулевому управ-

Кроме того, возросли скорости движения автомобилей, следовательно, повысились требования к точности и быстродействиюИ рулевого управ-

лению, можно было уменьшая необходимыйДугол поворота рулевого

колеса, а следовательно, требовался рулевой механизм с меньшим п е- редаточным числом. Уменьшение передаточного числа механизма рулевого управления неизменно приводило к увеличению усилия на рулевом колесе. Механический редуктор с такой задачей не справлялся и впоследствии был дополнен усилителем [8].

пользование усил телей позволяетбповысить безопасность, комфорт, а также улучшить управляемость автомобиля.

Усилители различаются в зависимости от вида физических процессов, используемых для формирования вспомогательного усилия. Все усилители можно разделить на типы в порядке начала их широкого использования:

–гидравлические;

–электрогидравлические;

–электромеханические.

Применение пневматических усилителей было ограничено, поскольку они обладали рядом значительных недостатков – низкая скорость реакции усилителя, невысокая надежность, требовался запас сжатого воздуха. Кроме этого, для создания большого компенсационного усилия необходимо было значительно увеличивать рабочие пло-

23

щади поршней силовых цилиндров, что неизменно приводило к увеличению габаритов усилителей.

Гидравлические усилители (ГУР)

Гидравлические усилители представляют собой гидравлическую схему, в которой источником давления жидкости является насос, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания. Рабочая жидкость под давлением поступает в распределитель, после чего направляется в одну из двух полостей и воздействует на поршень. Поршень, перемещаясь, оказывает дополнительное воздействие на рулевую рейку или поворотную цапфу. Таким образом снижается величина усилия со стороны водителя, требуемая для поворота колес [5].

это точная дозированная помощь в повороте рулевого колеса, для это-

устройство. Основным элементом следящего устройства является винт или торсион.

Одно из важнейших требований, предъявляемыхИ к усилителю, –

го используют распределитель, включающийДв свой состав следящее

щается золотник, который перекрываетАподачу рабочей жидкости к одной из полостей исилового цилиндра, при этом вторая полость по-

Винт жестко связан с золотником и при отсутствии воздействия с

помощью центрирующих пружин занимает среднее положение. При

нительное воздейств е набрулевой механизм, помогая водителю поворачивать колеса.

повороте рулевого колеса винт перемещается, а вместе с ним переме-

прежнему сообщается с нагнетающей магистралью и оказывает допол- С

Торсион встраивается в разрез рулевого вала и при отсутствии

воздействия находится в незакрученном состоянии. При повороте торсион закручивается тем сильнее, чем больше усилие на рулевом колесе. Происходит перекрытие подачи рабочей жидкости в одну из полостей силового цилиндра. В остальном принцип действия аналогичен предыдущей конструкции.

Гидравлический насос предназначен для подачи рабочей жидкости под давлением. Наибольшее распространение получили пластинчатые насосы, приводимые в действие клиноременной передачей от коленчатого вала двигателя. Давление, создаваемое насосом, для разных автомобилей варьируется в широком диапазоне от 0,8 до 10 МПа, а иногда может достигать 15 МПа. Функционирование гидравлического усили-

24

теля рулевого управления подразумевает постоянную работу гидравлического насоса, что приводит к дополнительному расходу топлива.

К достоинствам этого усилителя относятся:

–широкий спектр применения (от легковых автомобилей до тяжелых грузовых автомобилей);

–наличие самовозврата рулевого колеса при выходе из поворота;

–хорошо изученная и проработанная технология в связи с бол ь-

шим опытом промышленного производства.

Вто же время гидравлический усилитель обладает рядом недостатков, которые уменьшают его применение на современных автомобилях:

– дополнительный расход топлива, связанный с постоянной рабо-

той гидравлического насоса;

– наличие эксплуатационной жидкости,Икоторую после определенного пробега необходимо заменять;

– трудности эксплуатации усилителяДв зимнее время;

– невозможность регулирования компенсационного усилия, в зависимости от скорости движения автомобиля.

Вотношении последнего недостаткаАследует отметить, что с увеличением скорости движения автомобиля усилие, необходимое для поворота рулевого колесаб, уменьшается, так как уменьшаются сцепные свойства между колесами и дорожным полотном. При этом усилие, прикладываемое к рулевомуиколесу водителем, должно возрастать, что обеспечит лучшее «чувство дороги». В основном этого добиваются снижением давленСя в нагнетающей части усилителя путем регулирования давления или уменьшен ем частоты вращения приводного вала насоса [11].

Данный тип усилителя не получил широкого применения в связи с появлением электромеханических усилителей. Но в то же время он обладает рядом преимуществ перед традиционным гидравлическим усилителем.

Принцип работы электрогидравлического усилителя отличается от описанного выше тем, что насос усилителя приводится в действие не от двигателя внутреннего сгорания, а от электродвигателя, питаемого от бортовой сети автомобиля.

25

Электродвигатель и гидравлический насос функционируют только при повороте рулевого колеса, что приводит к снижению потребления топлива по сравнению с традиционным гидравлическим усилителем. Описанная особенность является достоинством усилителя, поскольку позволяет обеспечить увеличение усилия со стороны водителя при повышении скорости автомобиля.

Электрогидравлические усилители обладают достаточно высокой инерционностью. Так, при резком рывке руля или наезде колесом на препятствие электродвигатель не сможет мгновенно поднять давление и производительность насоса, что неизменно приведет к созданию недостаточного компенсирующего момента; поворот или удержание рулевого колеса будет осуществляться в основном за счет усилия води-

телем;

пространение за счет пребмуществ перед гидравлическими усилителя-

ми [7].

Вспомогательное усилие формируется электромеханичеким приводом, который представляет собой либо дополнительный механизм, встраиваемый в рулевое управление, либо узел, разрывающий механическую связь между рулевым колесом и управляемыми колесами. Первая конструкция считается традиционной, вторая находится на стадии разработки и испытаний.

Традиционные электромеханические усилители, в зависимости от места размещения в системе рулевого управления, можно разделить на усилители реечной передачи и усилители рулевой колонки. Первые, как правило, сложнее и требуют уже на этапе проектирования автомобиля выделения некоторой части подкапотного пространства. Усилители рулевой колонки обычно проектируются уже для готового автомобиля и могут размещаться в зоне рулевого вала салона автомобиля;

26

эта зона имеет достаточное количество неиспользуемого пространства. Кроме этого, такое размещение значительно снижает требования к рабочему температурному режиму, пылезащищенности и влагостойкости усилителя.

Взависимости от конструкции электромеханичекого привода усилители можно разделить на редукторные и безредукторные.

Вредукторном ЭМУРе исполнительный электродвигатель через редуктор, обычно червячную передачу, связан с рулевым механизмом.

Втаких конструкциях необходимо обеспечение значительной частоты вращения ротора электродвигателя, но при этом снижаются требования к развиваемому усилию.

Безредукторный усилитель имеет более простую конструкцию и,

как следствие, обладает высокой надежностью в дополнение к улучшенным динамическим качествам. СкоростьИреакции усилителя, при смене направления вращения рулевого колеса, а также скорость поворота управляемых колес может значительноДпревышать величину на редукторном электромеханическом усилителе. Основной проблемой

при создании безредукторных усилителей является использование электродвигателей специальногоАисполнения, развивающих значительное усилие (момент) на низких скоростях вращения.

Принцип работы электромеханическогоб усилителя рулевого управления выглядит следующим о разом.

Питание усилителяина всех режимах осуществляется от бортовой сети автомобиля по с ловым проводам. Ток, потребляемый усилителем в режиме С«компенсац », то есть когда электродвигатель создает дополнительное ус л е, помогающее водителю, может достигать значительной величины (55 А и выше), в связи с чем на большинстве автомобилей работа ЭМУРа на неработающем двигателе невозможна или ограничена с целью предотвращения чрезмерного разряда аккумуляторной батареи.

Работой усилителя управляет контроллер. Поворот ключа в замке зажигания активирует контроллер, который в свою очередь запускает операции инициализации и поиска ошибок. Обнаружение на данном этапе каких-либо неисправностей влечет за собой переход усилителя в режим «отказа», и помощь водителю в управлении автомобилем будет отсутствовать. После получения тахометрического сигнала, определяющего устойчивую работу двигателя автомобиля, контроллер переключает усилитель в основной рабочий режим – режим «компенсации».

27

В режиме «компенсации» контроллер постоянно получает данные от датчика момента, встроенного в разрез рулевого вала и датчика положения ротора электродвигателя. Обрабатывая эти данные совместно, усилитель получает информацию о величине и направлении прикладываемого водителем усилия. В соответствии с этой информацией контроллер формирует силовой управляющий сигнал, подаваемый в статор электродвигателя.

Зависимость выходного компенсирующего момента от входного управляющего момента обычно задается таким образом, чтобы независимо от типа дорожного покрытия водителю достаточно было прикладывать усилие к рулевому колесу не более определенного комфортного минимума (5 – 7 Н·м).

Как уже отмечалось ранее, с увеличением скорости движения ав-

–высокая Снадежностьиб; АДИ

–небольшой дополнительный расход топлива на привод усилителя (по сравнению с ГУР).

К недостаткам относят сложности в обслуживании и ремонте, необходимость использования специального оборудования, а также ограниченный диапазон развиваемых компенсирующих моментов (обычно не более 35 Н·м).

Таким образом, можно сделать вывод, что из представленных конструкций усилителей наиболее эффективным является электромеханический безредукторный усилитель.

Основными направлениями научных разработок в области конструирования рулевых управлений являются совершенствование алгоритма работы контроллера и учет большего числа показателей, влияющих на безопасность движения.

28

Усилители рулевого управления серийно стали устанавливаться на автомобили ЗИЛ-130 (ранее ЗИС-125) с 1957 года автозаводом имени И.А. Лихачева [10].

Гидравлический усилитель интегрального типа (рис. 1) представляет собой единый агрегат, в котором объединены вместе рулевой механизм, гидравлический распределитель и силовой цилиндр.

3

ковой гайки, поршняС-рейки и зубчатого сектора. Передаточное число механизма 20,0.

Насос усилителя – лопастной. Приводится в действие от коленчатого вала двигателя клиноременной передачей через шкив, закрепленный на его валу [10].

Ограничение подачи рабочей жидкости в гидравлический усилитель осуществляется перепускным клапаном, установленным в насосе.

Ограничение максимального давления в системе производится предохранительным клапаном, установленным внутри перепускного клапана насоса. Предохранительный клапан срабатывает при давлении

6,5–7,0 МПа [2].

29

Теоретические положения

Усилитель собран в чугунном корпусе рулевого механизма, являющимся одновременно и силовым цилиндром (рис. 2).

Вкорпусе силового цилиндра 2 установлен поршень-рейка 4 с чугунными уплотнительными кольцами 3 и с изготовленной на нем зубчатой рейкой. Поршень-рейка находится в зацеплении с зубчатым сектором 25, выполненным как одно целое с валом рулевой сошки 26. Вал рулевой сошки установлен в корпусе на бронзовых втулках. Зазор в зацеплении регулируется смещением вала сошки при помощи специального винта.

Впоршне с помощью стопорного винта закреплена шариковая

гайка 6, которая через шарики 8 связана с винтом 5 рулевого механизма. Крайние канавки в шариковой гайке соединеныИмежду собой трубкой 7, при этом шарики перемещаются по замкнутому контуру (рис. 3). Такое соединение винта и гайки на перемещающихсяД шариках обладает малым трением и повышенной долговечностью. В соединении винта

ишариковой гайки применена леваяАрезьба.став два кольца, внутреннеебкольцо (размещено ближе к золотнику)

большего диаметра, иосновная функция – ограничивать ход золотника и внешнее кольцоС, являющееся упорным.

Винт 5 и закрепленный на нем золотник удерживаются в среднем положении (при отсутствии воздействия со стороны водителя и дороги) с помощью шести пар реактивных плунжеров. Каждая пара реактивных плунжеров 20, 22 разжимается центрирующей пружиной 21. Золотник может перемещаться в осевом направлении на 1,1 мм в каждую сторону, вследствие разности его длины и корпуса распределителя 14. На золотнике 12 имеются три пояска и две канавки, а в корпусе распределителя – три окна в виде кольцевых канавок. Таким образом, в корпусе распределителя образуются две камеры, левая камера соединена каналом с полостью Б, а правая камера – с полостью А. Рабочая жидкость – масло, от насоса под давлением поступает к корпусу распределителя по трубопроводу (нагнетающая магистраль) в среднее окно (рис. 4).

30

Рис. 3. Соединение винта и гайки:

1 – рулевая сошка; 2 – шариковая гайка; 3 – соединительная трубка; 4 – шарики; 5 – винт; 6 – зубчатый сектор

При прямолинейном движении автомобиляИзолотник находится в среднем положении под действием реактивныхД плунжеров и центри-

рующих пружин (рис. 4, а). Зазоры между упорными кольцами подшипников 11, 15 и выступами корпуса распределителя примерно одинаковы (равны Т/2).

Масло под давлением проходит через камеры и каналы к полостям А и Б силового цилиндраб, а его излишки, минуя золотник, попадают в

сливную магистраль. Из сливнойАмагистрали масло поступает в бачок гидравлического усил теля. В полостях А и Б силового цилиндра давление рабочей жидкости од наково, что обеспечивает гашение ударов и толчков со Сстороны дороги, а также сохранение прямолинейного движения автомоб ля.

При повороте рулевого колеса вправо винт 5 (рис. 4, б) вывертывается из гайки поршня 4 и перемещается вправо вместе с золотником до упора большого кольца подшипника 11 в торец корпуса. Зазор между подшипником 15 и торцом корпуса станет максимальным (равным Т).

Камера распределителя, размещенная слева, будет отсоединена от сливной магистрали – крайний слева поясок золотника перекроет кольцевую канавку в корпусе распределителя, а камера, размещенная справа, будет отсоединена от насоса. Давление жидкости в полости Б гидроцилиндра возрастет, поршень начнет перемещаться влево. При этом перемещение поршня осуществляется под действием суммарной силы, которая складывается из силы, возникающей от избыточного давления в полости Б, и силы, передающейся на поршень от рулевого колеса через винт.

32

а

в

Рис. 4. Рабочие состояния гидравлического усилителя рулевого управления ЗИЛ-431410:

а – прямолинейное движение; б – рулевое колесо повернуто вправо; в – рулевое колесо повернуто влево; 4 – поршень-рейка; 5 – винт; 11,15 – упорные шариковые подшипники; 12 – золотник; 20, 22 – плунжеры

33

Усилие от поршня-рейки передается на зубчатый сектор, который поворачивает вал рулевой сошки, а затем через привод осуществляется поворот управляемых колес.

Вместе с поршнем 4 в осевом направлении будут перемещаться винт и золотник. Таким образом обеспечивается обратная связь. Перед перемещением поршня золотник после поворота рулевого колеса займет крайнее правое положение (рис. 4, б), поршень под действием суммарной силы перемещается влево и через винт возвращает золотник в среднее положение. Поворот управляемых колес прекратится при возвращении золотника в среднее положение, поскольку давление в полостях А и Б выровняется. При этом угол поворота управляемых колес будет строго соответствовать углу поворота рулевого колеса.

При увеличении сопротивления повороту управляемых колес давление жидкости, действующей на реактивныеИплунжеры, повышается, вследствие этого увеличивается сила сопротивления повороту на рулевом колесе, что создает у водителя «чувствоДдороги».

При повороте налево усилитель действует аналогично (рис. 4, в). Усилие центрирующих пружин 21, действующих на реактивные

плунжеры, будет передаватьсяАна рулевое колесо (см. рис. 2). Увеличение жесткости центрирующих пружин приведет к уменьшению компенсирующего воздействиябсо стороны усилителя, то есть водителю будет необходимо прикладывать ольшее усилие при повороте, но при этом возрастет «чувствоидороги». Уменьшение жесткости пружин приведет к снижению ус л й, нео ходимых для поворота рулевого колеса, и меньше будутСощущаться удары и толчки со стороны дороги, но при этом ухудшится маневренность автомобиля.

В случае выхода из строя насоса усилителя, обрыва нагнетающей магистрали или при отсутствии рабочей жидкости возможность управления автомобилем сохраняется. При повороте рулевого колеса винт 5 выкручивается или вкручивается в гайку поршня 4, большое кольцо подшипника золотника упирается в торец корпуса и перемещение поршня-рейки 4 осуществляется только за счет вращения винта – усилия со стороны водителя. Следует отметить, что в таком случае водителю придется затрачивать усилие не только на поворот управляемых колес автомобиля, но и на вытеснение масла из полостей силового усилителя. Для уменьшения сопротивления при вытеснении рабочей жидкости в конструкции усилителя предусмотрен шариковый клапан 13, который при отсутствии давления открывает центральный канал. Таким образом увеличивается проходное сечение сливной магистрали.

34