5. Рулевые усилители

Рулевые усилители устанавливают на легковых автомобилях высокого класса, грузовых автомобилях средней и большой грузоподъемности, а также на автобусах, при этом облегчается управление автомобилем, повышается его маневренность, увеличивается безопасность при разрыве шины. Следует, однако отметить, что при применении усилителя несколько повышается износ шин, а также ухудшается стабилизация yпpaвляемых колес.

Усилитель, включенный в рулевое управление, имеет следующие oбязaтeльные элементы:

- источник питания (в пневмоусилителе - компрессор, в гидроусилителе - гидронасос);

- распределительное устройство;

- исполнительное устройство — пневмо- или гидроцилиндр.

К рулевым усилителям предъявляют следующие требования:

1. Обеспечение кинематического и силового следящего действия (кинематическое следящее действие — пропорциональность между угловым перемещением рулевого колеса и углом поворота управляемых колес; силовое следящее действие — пропорциональность между силой, приложенной к рулевому колесу, и силой сопротивления повороту управляемых колес);

2. Сохранение возможности управления автомобилем в случае выхода из строя усилителя;

3. Обеспечение минимального времени срабатывания усилителя;

4. Минимальное влияние на стабилизацию управляемых колес;

5. Исключение возможности произвол включения от толчков управляемых колес.

Рулевые усилители классифицируют по следующим признакам:

1. По виду применяемого рабочего тела

- гидравлические;

- пневматические.

2. По компоновке элементов;

- все элементы в одном агрегате;

- распределитель и гидроцилиндр в одном агрегате, рулевой механизм отдельно;

- распределитель и рулевой механизм в одном агрегате, гидроцилиндр отдельно;

- все элементы отдельно.

3. По конструкции распределителя:

- золотниковые (осевые, роторные);

- клапанные.

4. В зависимости от устройств, определяющих функциональные свойства:

- с реактивными камерами;

- с реактивными камерами и центрирующими пружинами;

- с центрирующими пружинами.

В настоящее время в основном применяются гидроусилители с золотниковыми распределителями. К достоинствам гидроусилителей следует отнести:

- небольшие размеры благодаря высокому рабочему давлению (6...10 МПа);

- малое время срабатывания (0,2...2,4 с);

- поглощение ударов и толчков, воспринимаемых управляемыми колесами со стороны дороги и передаваемых на рулевое колесо.

Вместе с тем при применении гидроусилителя несколько снижается стабилизация управляемых колес, так как стабилизирующий момент на колесах должен преодолевать сопротивление жидкости в гидроусилителе. Гидроусилители должны иметь надежные уплотнения, так как течь жидкости приводит к выходу гидроусилителя из строя.

Пневмоусилители в настоящее время применяют редко. Их использовали главным образом на грузовых автомобилях большой грузоподъемности, имевших пневматические тормозные приводы. Основные недостатки пневмоусилителей: большое время срабатывания (в 5...10 раз больше, чем у гидроусилителей), и большие размеры, что связано с невысоким рабочим давлением (0,6...0,8 МПа).

Критерии оценки

Для оценки усилителей используют следующие критерии

Силовая статическая характеристика.

Эта характеристика определяется зависимостью усилия на рулевом колесе от момента сопротивления повороту колес при отсутствии и при наличии усилителя (рис.18).

а) б) в)

Рис.18. Статические характеристики рулевою управления:

Характер зависимости в значительной степени определяется конструкцией распределителя.

На рис.18а показана статическая характеристика усилителя, в котором распределитель не имеет центрирующих пружин, но имеет реактивные камеры.

На рис.18б приведена статическая характеристика усилителя с распределителем, снабженным реактивными камерами и центрирующими пружинами.

На рис.18в статическую характеристику определяет усилитель, в котором распределитель имеет только центрирующие пружины, предварительно сжатые.

За точкой, соответствующей максимальному усилию, создаваемому усилителем Р_Уmax дальнейшее повышение усилия рулевого управления может быть получено только при приложении водителем большего усилия к рулевому колесу.

Коэффициент эффективности Э

Коэффициент эффективности - отношение усилия на рулевом колесе без усилителя к усилию на рулевом колесе при работающем усилителе, т.е.:

где - усилие на рулевом колесе без усилителя;

- усилие, создаваемое усилителем, приведенное к рулевому колесу.

На графиках рис.18 кривые коэффициента эффективности усилителя, построены по силовой статической характеристике.

На рис.18а принято, что трение в элементах рулевого управления отсутствует; это позволяет считать коэффициент эффективности постоянным.

Зоны (рис.18бив) характеризуют усилие на рулевом колесе, соответствующее включению усилителя. Это усилие необходимо для сжатия центрирующих пружин при перемещении золотника распределителя и для преодоления трения. В связи с этим коэффициент эффективности получается переменным. В выполненных конструкциях усилителей Э_max = 10...15.

Показатели чувствительности

Угол поворота рулевого колеса и усилие на рулевом колесе, необходимые для включения усилителя, характеризуют его чувствительность. Угол поворота рулевого колеса, необходимый для включения усилителя определяется суммарным зазором в рулевом управлении и смещением при этом золотника распределителя. Этот угол находится в пределах 10...15°. Усилие на рулевом колесе, необходимое для включения усилителя 20...50 Н.

Показатель реактивного действия

Этот показатель характеризует силовое следящее действие усилителя, обеспечивающее «чувство дороги»:

Показатель обратного включения усилителя

Усилие, передаваемое от колес, для ■ перемещения корпуса золотника, при котором усилитель может включаться:

где - усилие центрирующих пружин золотника;

- силы трения в рулевом механизме, приведенные к шаровому пальцу сошки при передаче усилия от рулевой сошки к рулевому колесу.

КОМПОНОВКА ЭЛЕМЕНТОВ

Существует несколько схем компоновки элементов гидроусилителей. Практическое применение получили четыре схемы.

Схема № 1 (рис.19).

Рис.19. Компоновка гидроусилителя по схеме №1

Рулевой механизм РМ, гидрораспределитель ГР и гидроцилиндр ГЦ представляют собой один агрегат, который называют усилителем интегрального типа (гидроруль); гидронасос ГН и бачок с рабочей жидкостью Б располагаются отдельно.

Такая компоновка применяется на всех автомобилях ЗИЛ и КамАЗ.

Достоинством схемы является:

- компактность;

- малая длина трубопроводов;

- малое время срабатывания усилителя.

К недостаткам схемы следует отнести дополнительное нагружение всех деталей рулевого управления, а также кронштейна (или рамы) в месте крепления картера гидроруля, усилием, создаваемым гидроцилиндром.

На рис.20. показана компоновка на автомобиле и конструкция гидроусилителя автомобиля КамАЗ.

Рис.19. Компоновка на автомобиле и конструкция гидроусилителя

автомобиля КамАЗ

Здесь винтореечный рулевой механизм объединен с гидроцилиндром, гидрораспределителем и угловым редуктором в общем картере. Для охлаждения масла предусмотрен специальный радиатор 1. Угловой редуктор 8, передаточное число которого равно единице, служит для передачи вращения от вала рулевого колеса к винту рулевого механизма, поскольку рулевой механизм расположен горизонтально. Рулевой вал, соединяющий рулевое колесо с редуктором, составной; он включает вал рулевой колонки 3 и карданный вал 2 с двумя карданными шарнирами. Винт рулевого механизма, поворачиваясь, перемещает шариковую гайку 10, закрепленную в поршне-рейке; рейка, перемещаясь, поворачивает зубчатый сектор 9, выполненный за одно с валом сошки. В отдельном корпусе, прикрепленном к корпусу редуктора, установлен осевой золотниковый гидрораспределитель. Золотник гидрораспределителя 4 закреплен на конце вала винта между двумя упорными подшипниками 12 и 13. Золотник вместе с подшипниками имеет возможность перемещаться относительно корпуса в осевом направлении на 1,1 мм в обе стороны от нейтрального положения. В нейтральном положении золотник удерживается центрирующими пружинами 6, которые воздействуют на упорные подшипники через реактивные плунжеры 5 и 7. При повороте рулевого колеса в начальный момент, вследствие сопротивления повороту со стороны дороги, поршень усилителя остается неподвижным, а винт 11 получает осевое перемещение вместе с золотником на 1,1 мм. При этом, в зависимости от направления поворота рулевого колеса, золотник сообщает одну полость гидроцилиндра с напорной гидролинией, а другую— со сливной гидролинией. В реактивных камерах (между плунжерами) создается давление тем большее, чем больше сопротивление повороту. При большем давлении перемещение реактивных плунжеров требует большего усилия, что позволяет водителю «чувствовать» дорогу.

В усилителе предусмотрены предохранительный клапан, ограничивающий максимальное давление в системе до 6,5...7,0 МПа, и предохраняющий от перегрузок гидронасос, а также перепускной клапан, соединяющий обе полости цилиндра, уменьшая этим гидравлическое сопротивление при повороте в случае, если гидронасос не работает.

Схема № 2 (рис.21).

Рис.21. Компоновка гидроусилителя по схеме 2

В усилителе этого типа гидрораспределитель ГР смонтирован в одном блоке с гидроцилиндром ГЦ отдельно от рулевого механизма.

Такая компоновка применяется на автомобиле МАЗ MA3-5335.

Достоинством схемы являются:

- возможность применения рулевого механизма любой конструкции;

- меньшая сложность и стоимость по сравнению со схемой 1;

- несколько меньшее число деталей нагруженных гидроусилителем.

Гидроусилитель автомобиля МАЗ-5335 представлен на рис.22.

Рис.22. Гидроусилитель автомобиля МАЗ-5335

Осевой золотниковый гидрораспределитель 1 своим корпусом закреплен на корпусе шаровых шарниров 2, который, в свою очередь связан с гидроцилиндром 4 при помощи резьбового соединения. Шаровой палец 3 рулевой сошки помещен в стакане, который может перемещаться вместе с пальцем в осевом направлении в пределах 4 мм, перемещая одновременно закрепленный в стакане золотник гидрораспределителя. Шаровой палец 5 соединен с продольной рулевой тягой. В нейтральном положении золотник центрируется реактивными камерами, центрирующие пружины отсутствуют. Гидроусилитель обладает большой чувствительностью, включаясь при перемещении золотника на 0,4...0,6 мм.

Схема № 3 (рис.23).

Рис.23. Компоновка гидроусилителя по схеме 3

В этой схеме гидрораспределитель ГР располагается перед рулевым механизмом РМ, а гидроцилиндр ГЦ - отдельно.

По такой схеме выполнены усилители автомобилей Урал - 4320 и КАЗ-4540.

При установке гидрораспределителя перед рулевым механизмом увеличивается чувствительность гидроусилителя. Недостатком схемы является большая длина трубопроводов, особенно если гидроцилиндр располагается на удалении от рулевого механизма.

Схема № 4 (рис.24).

Рис.24. Компоновка гидроусилителя по схеме 4

Отличительная особенность этой схемы - раздельное размещение всех элементов гидроусилителя.

По такой схеме выполнен усилитель автомобиля ГАЗ-66.

Достоинством схемы является свободная компоновка, возможность применения рулевого механизма любой конструкции. Основной недостаток — большая длина трубопроводов. Следует отметить, что большая длина трубопроводов между гидрораспределителем и гидроцилиндром в любой конструкции гидроусилителя часто приводит к пульсации давления в системе и возбуждению колебаний управляемых колес.

При удержании рулевого колеса в нейтральном положении золотник гидрораспределителя, шарнирно связанный с сошкой рулевого механизма, также находится в нейтральном (среднем) положении. Нагнетаемое гидронасосом масло свободно циркулирует через открытый центр гидрораспределителя на слив в бачок, конструктивно объединенный с гидронасосом. В гидроцилиндре по обе стороны поршня устанавливается одинаковое давление слива.

При повороте рулевого колеса, например, влево золотник перемещается относительно корпуса гидрораспределителя в направлении, в котором продольная тяга должна обеспечивать поворот управляемых колес влево. При таком перемещении золотника левая полость гидроцилиндра соединяется с напорной гидролинией насоса, а правая полость — со сливной гидролинией. В левой полости гидроцилиндра создается давление, под действием которого поршень перемещается вправо, передавая через шток усилие на поворотный рычаг в направлении, соответствующем повороту управляемых колес влево.

При совершении поворота с постоянным радиусом, когда рулевое колесо остановлено в повернутом положении, золотник распределителя также остановлен. Если не учитывать стабилизирующие моменты на управляемых колесах автомобиля, то можно считать, что золотник занимает нейтральное положение, а усилитель выключен. Однако при наличии стабилизирующих моментов за счет обратной связи усилие от них передается на корпус гидрораспределителя и последний продолжает перемещаться до тех пор, пока золотник не займет несколько смещенное относительно нейтрального положение. При этом правая полость гидроцилиндра будет по-прежнему сообщаться со сливной гидролинией, а в левой полости в результате дросселирования масла через щелевой зазор между кромкой золотника и корпусом будет поддерживаться некоторое давление, достаточное для удержания колес в повернутом состоянии, когда на них действует стабилизирующий момент, стремящийся вернуть колеса в нейтральное положение.

Каждому фиксированному углу поворота рулевого колеса соответствует пропорциональное ему фиксированное положение управляемых колес. Таким образом, гидрораспределитель обеспечивает кинематическое следящее действие.

Гидрораспределитель обеспечивает также силовое следящее действие в результате того, что момент сопротивления повороту управляемых колес уравновешивается суммарным моментом сил, действующих на продольную тягу и шток гидроцилиндра:

(2)

где - усилие на штоке гидроцилиндра;

- усилие на продольной тяге;

S - плечо поворотного рычага.

Усилие на штоке поршня гидроцилиндра

(3)

где - давление в напорной гидролинии;

- рабочая площадь поршня гидроцилиндра.

Усилие на продольной тяге

(4)

де - плечо рулевой сошки.

Рассматривая равновесие золотника распределителя (без учета трения), имеем:

(5)

где - площадь торца золотника, обращенного к реактивной камере, находящейся под давлением.

Подставив значения и получим:

(6)

Приравняв выражения (4) и (5), найдем:

(7)

Полученное значение подставим в (6):

Таким образом, момент сопротивления повороту управляемых колес связан с усилием на рулевом колесе прямо пропорциональной зависимостью.