Принципиальная схема усилителя и его компоновка на автомобиле

На рис. 1 изображена схема гидроусилителя. При вращении рулевого колеса сошка, перемещаясь вперед или назад, в зависимости от направления поворота сдвигает золотник. Гребешки золотника перекрывают или открывают соответствующие каналы и направляют жидкость в силовой цилиндр. Поршень цилиндра, перемещаясь, поворачивает управляемые колеса и одновременно передвигает корпус золотника так, что распределитель прекращает подачу жидкости в силовой цилиндр. Чтобы продолжать поворот колес, водитель должен повернуть рулевое колесо на больший угол для дополнительного смещения золотника относительно корпуса. Смещаясь вперед или назад относительно корпуса, золотник распределителя преодолевает сопротивление деталей 2, определяемое силой предварительного сжатия центрирующих пружин 1 и давлением жидкости в полостях за деталями 2.

Рис. 1. Принципиальная схема усилителя рулевого управления: Δ_t - зазор, на который необходимо сместить золотник для включения усилителя

С повышением сопротивления колес повороту увеличивается давление в рабочей полости силового цилиндра и в напорной магистрали насоса, связанной с полостями, находящимися за деталями 2. Давление в этих полостях также возрастает, что приводит в конечном счете к необходимости приложить большее усилие к рулевому колесу. Это свойство усилителей называется реактивным действием. У водителей благодаря ему создается так называемое чувство дороги (чем больше момент сопротивления управляемых колес повороту, тем больше усилие на рулевом колесе). В дальнейшем детали 2 распределителей будем "называть реактивными элементами, а полости, расположенные за деталями 2,- реактивными полостями, активные площади реактивных элементов - реактивными площадями.

Золотник 3 служит для ограничения реактивного действия. При повышении давления в одной из полостей силового цилиндра золотник смещается, сжимая одну из пружин 4, и прерывает доступ жидкости в реактивную полость. Давление, при котором происходит ограничение реактивного действия, определяется предварительным сжатием пружин 4.

Распределители гидроусилителей могут быть выполнены с центрирующими пружинами, но без реактивных элементов; с реактивными элементами, но без центрирующих пружин или с тем и другим, без ограничения реактивного действия или с ограниченным реактивным действием, как в рассмотренной схеме.

В систему усилителя, кроме распределителя и силового цилиндра, входят насос высокого давления, бачок с резервным количеством масла, фильтр и трубопроводы. Некоторые системы имеют также радиатор, а некоторые - аккумулятор давления. Обычно аккумулятор вводится в систему усилителя в тех случаях, когда гидронасос питает не только усилитель, но и какие-либо другие агрегаты автомобиля. Схема работы усилителя и конструкция распределителя при этом несколько меняются.

Если у усилителя с индивидуальным гидронасосом жидкость постоянно циркулирует по замкнутой траектории: насос - распределитель - насос и рабочие окна золотника открыты для прохода жидкости при нейтральном положении золотника (см. рис. 1), то в системе с аккумулятором жидкость расходуется только в момент поворота рулевого колеса, а рабочие окна распределителя закрыты кромками золотника до начала поворота. Системы первого типа называются системами с открытым центром, а вторые - с закрытым центром. Схемы с открытым центром распространены гораздо больше.

В связи с тем, что рулевое управление с гидроусилителем является следящей системой с обратной связью, вопросы взаимного расположения отдельных узлов системы на автомобиле приобретают существенное значение, так как от характера связей между ними зависит быстродействие системы и ее устойчивость.

Компонуя усилитель на автомобиле, конструктору приходится учитывать несколько противоположных факторов. Во-первых, целесообразно располагать распределитель ближе к рулевому колесу, а силовой цилиндр - к управляемым колесам. В этом случае угол, на который нужно повернуть рулевое колесо, чтобы переместить золотник на величину свободного хода, невелик, а силовая нагрузка от усилителя передается малым числом звеньев рулевого привода. Однако, чем ближе один к другому расположены распределитель и силовой цилиндр, тем на меньшее время задерживается включение усилителя по сравнению с распределителем, тем плавнее он включается и тем больше устойчивость работы всего управления в целом.

Во-вторых, с точки зрения экономии металла, выгодно иметь усилитель и распределитель встроенными в картер рулевого механизма, но это усложняет конструкцию и затрудняет компоновку усилителя.

В зависимости от значимости того или иного фактора применяется одна из четырех рассмотренных ниже схем компоновок, отличающихся взаимным расположением на автомобиле рулевого механизма, распределителя, привода к нему и гидроцилиндра.

Первая схема компоновки характеризуется совместным расположением (в одном агрегате) рулевого механизма, привода к распределителю распределителя и силового цилиндра. Будем называть этот агрегат гидромеханический рулевой механизм. Рулевой механизм этого типа, установленный на автомобиле ЗИЛ-130, показан на рис. 2, а распределитель усилителя - на рис. 3.

Рис. 2. рулевой механизм автомобиля ЗИЛ-130 со встроенным гидроусилителем

У гидромеханического рулевого механизма силовой цилиндр обычно действует на вал сошки, освобождая рулевую пару от силовых нагрузок. Вал сошки нагружается полностью моментом" необходимым для поворота управляемых колес.

Преимущества такой компоновки - компактность, минимальное количество трубопроводов, малое время срабатывания усилителя, а также отсутствие у усилителя склонности к возбуждению колебаний управляемых колес. К недостаткам этой компоновки следует отнести необходимость изготовления нового сложного агрегата вместо стандартного рулевого механизма, невозможность использовать этот рулевой механизм на автомобилях, на которых не требуется усилитель или нужен усилитель большей мощности.

Рис. 3. Схема распределителя усилителя ЗИЛ-130 (позиции 4-7 см. рис. 2)

Все автомобили в принципе могут быть оборудованы усилителями типа гидромеханический рулевой механизм. Однако на автомобилях с нагрузкой на управляемую ось более 5-6 Т применение такой компоновки нецелесообразно ввиду того, что удары со стороны дороги, создающие момент относительно шкворней, воспринимаются валом сошки и передаются на картер. Это требует чрезмерного усиления кронштейна и рамы автомобиля в месте крепления.

Ко второй схеме компоновки можно отнести усилители с распределителем, приводом к нему и силовым цилиндром, заключенными в одном картере, но отдельно от картера рулевой пары. На рис. 4 изображен такого типа гидроусилитель, используемый на автомобиле БелАЗ-540.

Рис. 4. усилитель рулевого управления автомобиля БелАз-540: а - общий вид; б - схема распределителя

Несколько вариантов компоновок усилителя на автомобилях и автобусах показаны на рис. 5.

Силовые цилиндры усилителей корпусом связаны с продольной или поперечной (у легковых автомобилей) тягой, а штоком - с кронштейном на раме автомобиля. Сошка рулевого механизма связана с золотником или клапаном распределителя шаровым пальцем. Усилитель позволяет использовать стандартный руле-вой механизм без большого увеличения длины трубопроводов по сравнению с гидромеханическим рулевым механизмом. Склонность к возбуждению колебаний управляемых колес у такого усилителя незначительна.

Рис. 5. Возможные варианты компоновок усилителя типа БелАЗ-540 на автомобилях и автобусах

Недостаток компоновки - большая, чем у гидромеханического рулевого механизма масса и ограниченная возможность в расположении усилителя в цепи звеньев рулевого привода, так как шаровой палец сошки или тяги, с ней связанной, должен управлять золотником.

Третья схема компоновки - раздельное расположение механизма рулевого управления, силового цилиндра и распределителя. Последняя схема требует большого количества трубопроводов, но позволяет использовать стандартный рулевой механизм любой конструкции и допускает большую свободу в размещении силового цилиндра и распределителя.

Рис. 6. Усилитель ГАЗ-13 'Чайка' с раздельным расположением рулевого механизма, распределителя и силового цилиндра

Принципиально силовые цилиндры могут быть подсоединены к любому звену системы рулевого управления, расположенному за распределителем, ближе к управляемым колесам автомобиля, считая от рулевого колеса. По такой схеме скомпонованы усилители автомобилей ГАЗ-13 "Чайка" (рис. 6, 7) и ГАЗ 66. Распределитель на грузовом автомобиле ГАЗ-66 размещен в продольной тяге, а силовой цилиндр - на переднем мосту.

Рис. 7. Схема работы распределителя усилителя ГАЗ-13 'Чайка' при повороте налево

По четвертой схеме скомпонованы усилители грузового автомобиля "Урал-375", некоторых американских и европейских автомобилей, например, автомобиля GMC-980 и автобуса Берлие (рис. 8). У этих усилителей распределители расположены в картере рулевого механизма, а силовые цилиндры - в рулевом приводе. При компоновке усилителя по такой схеме сокращается число гибких шлангов, но необходим специальный картер рулевого механизма.

Рис. 8. Рулевой механизм с гидроусилителем автобуса Берлие

Усилители, скомпонованные по третьей и четвертой схемам, склонны к возбуждению колебаний управляемых колес, особенно в тех случаях, когда силовой цилиндр действует не на сошку или продольную тягу, а на поперечную тягу или правую цапфу (при левом расположении рулевого механизма). Для уменьшения возможности автоколебаний распределитель и усилитель следует располагать возможно ближе один к другому в кинематической цепи рулевого привода.

На грузовых автомобилях особо большой грузоподъемности (с нагрузкой на переднюю ось более 5 Т) гидромеханические рулевые механизмы используются крайне редко, так как вся силовая нагрузка передается через детали рулевого механизма. На них применяются усилители, скомпонованные по второй или четвертой схеме.

На грузовых автомобилях большой грузоподъемности (с нагрузкой на переднюю ось 3-5 Т) устанавливают в основном усилители, скомпонованные по первой, второй и четвертой схемам.

На грузовых автомобилях средней грузоподъемности (с нагрузкой на переднюю ось 2-3 Т) и легковых автомобилях среднего класса усилители компонуют по третьей схеме, так как можно применить рулевой механизм с усилителем или без нега. На легковых автомобилях высокого класса устанавливаются в основном гидромеханические рулевые механизмы.