Усилители с приводом распределителя от вала сошки

Усилитель рулевого управления автомобиля БелАЗ-540 (рис. 4) скомпонован по второй схеме и установлен с наружной стороны левого лонжерона рамы автомобиля. Шаровой палец 7 связан с продольной тягой. Палец 1 закреплен коническим концом в сошке рулевого управления, а палец 5 - в кронштейне на раме автомобиля. Вместе со стаканом 6 и золотником 4 палец 1 может перемещаться внутри корпуса, преодолевая сопротивление пружины 2.

Золотник имеет два рабочих гребня, образующих в паре с гильзой пять полостей:

• центральную (размещенную между гребнями, являющуюся напорной полостью),
• две средние (над гребнями), связанные с полостями силового цилиндра,
• две крайние, связанные со сливной магистралью.

При смещении золотника один из гребней закрывает сливную магистраль, второй - одну из полостей силового цилиндра, и напорная магистраль оказывается связанной с другой полостью. Центрирование золотника осуществляется пружиной 2, зажатой между двумя шайбами.

В распределителе нет устройств, создающих реактивное действие, и водитель не чувствует дороги. Распределитель такого типа компонуется только вместе с силовым цилиндром в одном агрегате. При раздельной компоновке возможны автоколебания управляемых колес.

Особенностью конструкции является наличие вставной стальной гильзы 3 золотника. Радиальные отверстия в гильзе, связывающие полости распределителя с насосом и усилителем, имеют круглую форму. Клапан - ограничитель давления - находится в корпусе распределителя. Усилитель рассчитан на максимальное давление 70 ^кГ/_см².

Широко распространены распределители с трехгребниевыми золотниками. Они применяются в усилителях фирм Бендикс (США - Франция), Сайгинау и Росс (США), Цанрадфабрик (ФРГ) и др. Усилитель автомобиля ЗИЛ-130 имеет такой же золотник.

Усилитель ЗИЛ-130 скомпонован по первой схеме (см. рис. 2). Картер рулевого механизма является одновременно корпусом силового цилиндра. Рулевой механизм имеет двойную передачу: винт - шариковая гайка, рейка - зубчатый сектор. Внутри поршня 1 закреплена шариковая гайка 2. На внешней стороне поршня нарезана рейка.

При повороте рулевого колеса вал червяка, ввертываясь или вывертываясь из шариковой гайки, перемещается вместе с золотником вверх или вниз, и жидкость поступает в соответствующую полость силового цилиндра. Поршень цилиндра перемещается, поворачивает вал сошки и одновременно перемещает золотник в исходное положение.

Чтобы продолжить поворот управляемых колес, водитель должен повернуть рулевое колесо на больший угол.

Распределитель устроен следующим образом. Напорная полость расположена в корпусе золотника, над средним гребнем. Каналы, связанные с силовым цилиндром, выходят на участках между гребнями. Полости по краям золотника связаны со сливной магистралью. В корпусе по окружности, на периферии, расположены шесть осевых каналов, связанных в средней части золотника с напорной магистралью. В них расположены центрирующие пружины 7 и реактивные плунжеры 6. При смещении золотника плунжеры с одной стороны утапливаются одной из шайб 4 в каналы, выталкивают из них жидкость и сжимают пружины 7. Чем больше давление в системе, тем труднее утопить плунжеры и сместить золотник.

Распределитель имеет шариковый клапан 3 (рис. 2), который перепускает жидкость из одной полости силового цилиндра в другую при неработающем насосе 9, во время поворотов. Осевой ход золотника ограничен упорными подшипниками 5. Максимальное давление в системе 65 ^кГ/_см².

Концевые полости распределителя сверху и снизу связаны со сливной магистралью насоса, поэтому резиновое уплотнение в верхний крышке корпуса находится под давлением всего 1,5-3 ^кГ/_см². Для того чтобы винт рулевого вала при повышении давления в верхней полости не отжимался вместе с золотником вверх, нарушая работу распределителя, нижний конец вала винта, находящийся в поршне-рейке, уплотнен чугунным кольцом с фасонным замком, а полость в поршне-рейке каналом внутри вала винта связана со сливной магистралью. Такое же кольцо отделяет верхнюю полость усилителя от распределителя. При высоких давлениях эти кольца допускают небольшие утечки рабочей жидкости.

Распределитель усилителя автомобиля "Урал-375" по конструктивной схеме не отличается от распределителя автомобиля ЗИЛ-130, но размеры его значительно больше. Он скомпонован в верхней части картера рулевого механизма и приводится от осевого перемещения рулевого вала. Силовой цилиндр выполнен отдельно от рулевого механизма (четвертая схема компоновки). Он расположен у правого переднего колеса, корпус его прикреплен к правому лонжерону, а шток - к верхнему рычагу правой поворотной цапфы. Усилитель рассчитан на давление 65 ^кГ/_см².

В рассмотренных распределителях золотник в нейтральном положении обеспечивает равенство давлений в полостях рабочего цилиндра. Из-за того, что активная площадь поршня со стороны штока меньше, чем с другой стороны, возникает разность усилий, создаваемых давлением жидкости на поршень. Силовой цилиндр при этом постоянно несколько стремится повернуть управляемые колеса в одну сторону.

Распределители, примененные в усилителях автомобилей МАЗ-500 (рис. 9,6) и ГАЗ-13 "Чайка" (см. рис. 7), не обладают этой особенностью. Золотник (рис. 9) имеет также три гребня, но жидкость поступает не в среднюю часть распределителя, а к краям, проходит через щели Δ₁ и Δ и выходит через отверстие в средней части распределителя. Каналы M₁ и M₂ связаны с полостями силового цилиндра. При смещении золотника, например, влево жидкость поступает в канал M₁ и одновременно по отверстию в торце золотника в реактивную полость p₁. Чем больше сопротивление колес повороту, тем выше давление в канале M₁ и реактивной полости p₁ и тем большее усилие нужно приложить к рулевому колесу, чтобы сместить золотник влево. Распределитель не имеет центрирующих пружин.

Рис. 9. Усилитель МАЗ-500: а - общий вид; б - схема распределителя

Реактивные площади золотника различны, их отношение равно отношению рабочих площадей поршня силового цилиндра со стороны дна и штока, вследствие чего золотник постоянно смещен от нейтрального положения в сторону реактивной камеры с меньшей площадью, в результате в ней и соответствующей полости силового цилиндра давление несколько выше, что уравновешивает золотник, а одновременно и силовой цилиндр.

Торцовые уплотнения такого распределителя должны конструироваться с особой тщательностью, так как на них во время работы усилителя действует высокое давление.

Золотники без центрирующих пружин должны быть очень точно изготовлены. Кроме того, при этом рулевой механизм должен обладать хорошей обратимостью, а трение между золотником и гильзой должно быть минимальным. В распределителе имеется шариковый клапан, который обеспечивает перепуск жидкости из одной полости силового цилиндра в другую при неработающем насосе. Управление золотником осуществляется пальцем 1 (рис. 9) сошки.

Усилитель автомобиля МАЗ-500 скомпонован по второй схеме. Распределитель выполнен в одном агрегате с силовым цилиндром. Шток силового цилиндра прикреплен к левому лонжерону, продольная тяга пальцем 2 - к корпусу силового цилиндра.

Клапан-ограничитель давления отрегулирован на давление 65 ^кГ/_см², если используется насос ЗИЛ-130, или на давление 85 ^кГ/_см² в случае установки насоса НШ-10.

Распределители, не имеющие центрирующих пружин или устройств их заменяющих, не применяются для усилителей, разработанных в последние годы. Во многих конструкциях с роторными золотниками вместо пружин используются торсионы, связывающие золотник с гильзой.

На легковых автомобилях для создания у водителя хорошего чувства дороги на поворотах при движении реактивные площади выбирают такими, что на долю водителя приходится иногда до ¹/₃ момента сопротивления колес повороту. В результате этого на рулевом колесе могут возникнуть слишком большие усилия при маневрировании автомобилей и поворотах на месте, в связи с чем в распределителях некоторых усилителей предусмотрены устройства, ограничивающие реактивное действие при увеличении давления выше определенной величины. Возможный вариант такого устройства показан на принципиальной схеме усилителя (см. рис. 1). В распределителе усилителя автомобиля ЗИЛ-111 (рис. 10) применено ограничительное устройство другой конструкции, отсоединяющее реактивные камеры от напорной магистрали при давлении свыше 17 ^кГ/_см². Устройство состоит из золотника-ограничителя 1, расположенного внутри золотника-распределителя, и пружины 2. С одного торца золотник 1 сообщается с реактивной камерой 3 двустороннего действия, с другого - со сливной магистралью. Со стороны сливной магистрали золотник поджимается пружиной 2. Радиальное отверстие M в золотнике 1 связывает напорную магистраль с реактивной камерой.

Рис. 10. Конструктивная схема рулевого механизма со встроенным усилителем автомобиля ЗИЛ-111

При давлении свыше 17 ^кГ/_см² пружина 2 сжимается, радиальное отверстие M перекрывается золотником, и давление в реактивной камере не увеличивается. Благодаря этому усилие на ободе рулевого колеса не превышает 2,5 кГ.

Золотник смещается при осевом перемещении рулевого вала с помощью рычага 4, у которого отношение верхнего плеча к нижнему равно 2,5:1, вследствие чего свободный ход рулевого колеса, необходимый для перемещения золотника и включения усилителя, уменьшен в 2,5 раза.

Примерно такую же конструкцию имеет усилитель автомобиля Крайслер (рис. 11), в нем не имеется канала внутри вала винта, служащего для уменьшения избыточного давления внутри полости поршня, и уплотнения 8 (см. рис. 2), вследствие чего активные площади поршня с правой и левой стороны одинаковы.

Возникающая под давлением жидкости осевая нагрузка на вал винта воспринимается реактивными элементами распределителя, активные площади которых со стороны рулевого колеса больше, чем со стороны вала винта, с увеличением давления в системе активные площади реактивных элементов уменьшаются. Рассмотрим, как это происходит.

Рис. 11. Рулевой механизм со встроенным усилителем автомобиля Крайслер: а - общий вид усилителя; б - привод управления распределителем

Золотник связывается с рулевым валом рычагом 1 (рис. 11), головка которого помещается в гнезде кольца 2, закрепленного на валу винта. Верхний конец рычага воздействует на золотник. Опорой рычага служит сфера 8. При повороте рулевого вала винт 3, ввертываясь или вывертываясь из поршня 4, смещается в осевом направлении вместе с кольцом 2. На рис. 11, б кольцо 2 и нижний конец рычага смещены влево. Также смещены реактивное 9 и пластинчатое 10 кольца и манжета 11. Полости p₁ и p₂ связаны с полостями силового цилиндра.

Чем больше давление в системе, тем труднее сдвинуть кольца 9, 10 и манжету 11 и переместить золотник. При небольшом давлении в системе тонкое пластинчатое кольцо 10 смещается влево так, что его плоскость остается параллельной оси пальца. Сила сопротивления такому перемещению определяется произведением давления в камере на торцовую площадь манжеты 11. С увеличением давления пластинчатое кольцо 10 выгибается, как тарельчатая пружина, и опирается средней частью на уступ детали 12. Дальнейшее сопротивление перемещению кольца 9 определяется в основном только упругостью кольца 10, так как сила давления на манжету 11 воспринимается уступом детали 12. В нейтральном положении рычаг центрируется давлением в реактивных камерах. Площадь манжеты 6 больше, чем манжеты 11 на величину площади кольца 7, которая равна сечению винта 8. Кольцо 7 создает осевое усилие на кольцо 2, равное усилию, с которым силовой цилиндр действует на винт.

В сливном трубопроводе усилителя имеется клапан 5, служащий для поддержания постоянного избыточного давления в усилителе. Считается, что это обеспечивает более точное следящее действие. Усилитель работает при максимальном давлении 70 ^кГ/_см².

В настоящее время в Западной Европе широко распространены рулевые механизмы фирмы Цанрадфабрик. Фирма выпускает несколько типов рулевых механизмов для автомобилей с нагрузкой на переднюю ось от 0,9 до 15 T. Они отличаются по конструкции и размерам.

Рис. 12. Рулевой механизм со встроенным усилителем фирмы Цанрадфабрик (серия 7400): а - общи вид; б - устройство, выключающее усилитель в крайних положениях

Одна из моделей усилителей (Шпиндельхидроленкунг) изображена на рис. 12. Поршень силового цилиндра является одновременно корпусом распределителя. Длина поршня больше его хода. Жидкость под давлением поступает в полость А, образуемую стенками цилиндра и выточкой на наружной поверхности поршня, и далее к золотнику распределителя. При по вороте рулевого вала золотник навертывается или свертывается с винта, при этом он перекрывает соответствующие каналы и направляет жидкость в одну из полостей силового цилиндра. Из другой полости жидкость в это время сливается в бачок по каналу внутри винта.

В механизме имеется устройство, выключающее усилитель в крайних положениях поршня (рис. 12, б). Свободный конец двуплечего рычага 1 при смещении поршня в крайнее положение утапливается винтом 2. При этом другой конец рычага 1 смещает золотник 3, связывая полость высокого давления со сливным трубопроводом. Устройство предохраняет рулевой привод от чрезмерных перегрузок, а насос - от перегрева при повороте управляемых колес в крайние положения.

Усилители фирмы Цанрадфабрик работают при давлении 70 и 100 ^кГ/_см².

На некоторых грузовых автомобилях при размещении усилителя вне рулевого механизма ход штока и поворот управляемых колес ограничиваются с помощью упоров, устанавливаемых у вала сошки.

Рис. 13. Рулевой механизм со встроенным усилителем фирмы Кальцони

Распределители усилителей фирмы Кальцони (Италия) имеют двухгребневые золотники (рис. 13). Схема работы распределителя отличается от только что рассмотренной. При повороте рулевого колеса винт 3, связанный с рулевым валом, ввертывается в гайку 2 поршня 7 и перемещает ее вместе с золотником 10 вправо или влево в зависимости от направления вращения. При этом сжимаются центрирующие пружины 8. При нейтральном положении золотника жидкость поступает в усилитель по трубопроводу Б, проходит полости В, Г и А (полость А связана со сливной магистралью) и возвращается по сливным трубопроводам в бачок.

Когда золотник смещается влево, полости Д и Г связываются с полостью А и со сливной магистралью, а в изолированной полости В возрастает давление. При этом поршень 7 перемещается влево. Жидкость действует одновременно на торцы золотника и детали 9. Поскольку активная площадь детали 9 больше, чем у золотника, результирующее усилие направлено вправо, т. е. в сторону, противоположную смещению золотника, и пропорционально давлению в системе, благодаря чему создается реактивное действие.

Когда золотник смещается вправо, увеличивается давление в полостях В и Г. Так как активная площадь поршня 7 со стороны полости Г в два раза больше активной площади его со стороны полости В, то результирующая сила будет направлена вправо. В этом случае деталь 9 остается неподвижной, давление жидкости действует на торец золотника с правой стороны, создавая реактивную силу, пропорциональную давлению в системе.

В усилителе также имеются ограничители хода поршня - шайбы 1 и 5, укрепленные на направляющих 4 и 6. После упора гайки 2 в ограничительные шайбы дополнительный поворот рулевого колеса не может вызвать смещения золотника относительно поршня, так как перемещение гайки ограничено упором в картер рулевого механизма. Положение шайб 1 и 5 регулируют поворотом направляющих 4 и 6.

Фирма Кальцони выпускает серию таких усилителей для автомобилей с нагрузками на управляемую ось 3,5-10 Т. Давление в системе усилителей составляет 70-100 ^кГ/_см².

Рис. 14. Усилитель фирмы Кальцони, скомпонованный отдельно от рулевого механизма А-Д - полости; 1 - шаровый палец сошки; 2 - болт крепления кронштейна продольной тяги; 3 - реактивная втулка; 4 - кронштейн штока золотника; 5 - золотник; 6 - сливная трубка

Аналогично работает распределитель усилителя этой же фирмы, скомпонованного отдельно от рулевого механизма (рис. 14).