Усилители с приводом от рулевого вала

У всех рассмотренных выше распределителей рабочим органом являлся золотник. Менее распространены клапанные распределители, у которых перераспределение потоков жидкости происходит в результате смещения рабочего органа распределителя вдоль направления потока жидкости.

Во всех рассмотренных конструкциях перемещение золотника (или клапана) на величину зазора Δ₁, необходимого для начала работы усилителя, происходило вследствие относительного смещения деталей, расположенных в кинематической цепи рулевого управления за рулевой парой. Усилитель начинал работать в результате перемещения шарового пальца сошки в тяге или в силовом цилиндре (усилители ГАЗ, МАЗ) или осевого смещения вала винта (усилители ЗИЛ, фирм Цанрадфабрик и Кальцони).

В конце 50-х годов появились конструкции, в которых перемещение золотника вызывается поворотом верхней части рулевого вала относительно нижней. При этом существенно уменьшается свободный ход рулевого колеса, необходимый для включения усилителя.

Усилители рулевого управления с распределителями клапанного типа выпускает фирма Фульмина (ФРГ). Рулевой механизм с гидравлическим усилителем типа SB этой фирмы показан на рис. 15. Распределитель встроен в рулевой механизм. Силовой цилиндр установлен отдельно. Рулевая передача состоит из винта с шариковой гайкой, рейки и зубчатого сектора на валу сошки.

Рис. 15. Рулевой механизм со встроенным усилителем фирмы Фульмина модель 165SB: а - общий вид; б - схема распределителя

Винт 1 шариковой гайки (рис. 15, б) заканчивается ходовой резьбой 2, на которую навертывается стакан 5, являющийся опорой для клапанов 3 и 4 распределителя. При повороте рулевого вала стакан 5 навертывается по резьбе 2 на винт 1 и смещает втулку 6 с клапанами 3 и 4 в осевом направлении (например влево). При этом сначала клапан 3 своим большим по диаметру торцом закрывает щель, ведущую в сливную магистраль, затем сжимается пружина 9, и клапан 4 направляет поток в канал А, ведущий к силовому цилиндру. Пружины 9 и 8 центрируют золотник в нейтральном положении. Реактивное действие создается вследствие различной величины активных площадей втулки 10 и клапана 4, определяемых соответственно внутренним диаметром клапана 3 и диаметром контакта клапана 4 с торцом 7.

Фирма Фульмина выпускает такой рулевой механизм с силовыми цилиндрами различных размеров и, кроме того, три модификации гидромеханического рулевого механизма.

Такого же типа рулевой механизм, но с золотниковым распределителем производится фирмой Форд (США).

Гидромеханический рулевой механизм Форд, устанавливаемый до последнего времени на легковых автомобилях Линкольн, показан на рис. 16.

Рис. 16. Схема рулевого механизма фирмы Форд со встроенным усилителем

В нижней части рулевого вала 1 имеется винт 2 с крупным шагом. Винт рулевого механизма 4 связан с рулевым валом торсионом 3. Под действием момента, приложенного к рулевому корпусу, рулевой вал поворачивается относительно червяка и закручивает торсион. При этом гайка 5, связанная с червяком 4, навертывается на винт 2 и перемещается в осевом направлении. Золотник распределителя соединен с гайкой и, смещаясь вместе с ней, направляет лоток жидкости в соответствующую полость силового цилиндра. На рабочих кромках золотника имеются фаски или лыски, вследствие чего давление в силовом цилиндре пропорционально смещению золотника, а следовательно, углу закручивания торсиона и моменту на рулевом валу. Реактивное действие имитируется упругостью торсиона. Поворот рулевого вала, необходимый для смещения золотника, определяется шагом винта 2, который может быть выбран относительно большим.

Для легковых автомобилей высокого класса фирмой Даймлер-Бенц (ФРГ) разработан гидромеханический рулевой механизм (рис. 17) также с приводом распределителя от рулевого вала. Рулевое управление характеризуется хорошим чувством дороги, небольшим временем срабатывания и малым углом поворота рулевого колеса, необходимым для начала работы усилителя. Рулевая передача состоит из винта 1 и шариковой гайки 2 с одним рядом шариков. Гайка укреплена внутри поршня силового цилиндра на двух упорных шарикоподшипниках, расположенных по торцам гайки, и удерживается от провертывания выступом 3, который входит в прорезь в золотнике 4. Ось золотника перпендикулярна оси винта. Во время поворота винта шарики, передавая осевую нагрузку на гайку, создают некоторое окружное усилие, под действием которого поворачивается гайка и смещается золотник 4. При этом жидкость поступает в соответствующую полость. Золотник имеет реактивные камеры 5, вследствие чего с увеличением давления в гидросистеме к рулевому колесу приходится прикладывать больше усилия. На долю водителя приходится до 30% работы, требуемой для поворота колес. При маневрировании автомобиля с малой скоростью давление в системе близко к максимальному, однако в реактивных камерах давление не превышает заданного, обусловленного натягом пружин разгрузочных клапанов 6.

Рис. 17. Рулевой механизм со встроенным усилителем фирмы Мерседес-Бенц

Конструкция привода к золотнику может быть существенна упрощена, если осевой золотник заменить роторным. При этом потоки жидкости перераспределяются в результате углового смещения золотника относительно гильзы. Верхняя часть рулевого вала связана с золотником, нижняя - с гильзой. Поворот рулевого вала вызывает поворот золотника относительно гильзы. В настоящее время несколько фирм выпускает усилители с такими распределителями, например, фирмы Сайгинау (США), Бармен (Англия). Свободный ход рулевого колеса, необходимый для приведения в действие усилителя, очень мал.

На рис. 18 показана конструкция усилителя фирмы Бармен. Распределитель состоит из корпуса, являющегося частью картера рулевого механизма, гильзы 1 и цилиндрического золотника 2. Гильза 1 вращается в корпусе, а золотник - в гильзе. Золотник укреплен в нижней части рулевого вала; гильза связана с винтом шариковой гайки. На рабочих кромках золотника имеются скосы, поэтому поток жидкости перекрывается постепенно, пропорционально углу закручивания торсиона.

Рис. 18. Рулевой механизм со встроенным усилителем фирмы Бармен

Центрирование золотника осуществляется пружиной 4, которая отжимает золотник вверх относительно гильзы, связанной с винтом рулевого механизма. На цилиндрической поверхности золотника имеется канавка с шариком 3, а в гильзе - паз серповидной формы. Пружина, удерживая шарик в вершине паза, центрирует золотник относительно гильзы. При повороте золотника относительно гильзы шарик, перекатываясь по пазу, смещает золотник в осевом направлении и сжимает пружину. В камеру пружины передается давление из напорной магистрали, вследствие чего с увеличением давления в системе труднее смещать золотник относительно гильзы. Это устройство центрирует золотник и создает реактивное действие.

Жидкость от насоса поступает к входному отверстию нижней крышки картера и по двум пазам 5 в золотнике проходит через рабочие щели, образованные пазами 6 и 7 гильзы, к центральному каналу в золотнике и через верхнюю крышку картера - к сливной магистрали. Паз 6 связан с нижней полостью картера рулевого механизма, паз 7 - с верхней. При повороте золотника относительно гильзы шлицы золотников, расположенные под пазами 6 и 7, перераспределяют необходимым образом поток жидкости.

Интересна конструкция рулевого механизма Марлес Варейматик Бендикс (Англия), устанавливаемого на автомобили Ягуар Марк X (рис. 19). Основные рабочие части механизма - глобоидальный червяк и одинарный вращающийся ролик. Шаг червяка переменный и общее передаточное отношение рулевого управления меняется от 25:1 при среднем положении управляемых колес до 12:1 - при крайнем. Золотник роторного типа. Жидкость поступает к золотнику по трем радиальным каналам в гильзе и при нейтральном положении золотника, проходит через рабочие щели и отверстие в золотнике в центральный канал, к сливной магистрали. Когда золотник поворачивается относительно гильзы, жидкость в зависимости от направления поворота поступает в ту или другую полость силового цилиндра (рис. 19, б). Центрирование гильзы относительно золотника осуществляется торсионом. Давление в системе пропорционально углу закручивания торсиона. Свободный ход рулевого колеса, необходимый для приведения распределителя в действие, равен ±3 °.

Рис. 19. Рулевой механизм со встроенным усилителем Марлес Варейматик Бендикс: а - общий вид; б - схема работы распределителя

В последних конструкциях усилителей рулевого управления Фирмы Цанрадфабрик (модель Кугельмуттерхидроленкунг серия 8000) применена новая система управления распределителем с осевым перемещением золотников (рис. 20, а). В верхней части рулевой механизм имеет барабан 1, являющийся частью винта рулевой передачи. Вкладыш 2 связан жестко с рулевым валом и через торсион 3 с винтом 6. При приложении нагрузки к рулевому колесу вкладыш 2 поворачивается относительно барабана 1, закручивая торсион 3 и смещая своими выступами золотники 4 и 5 в барабане.

В нейтральном положении жидкость от насоса поступает в полость А, проходит через рабочие щели распределителя и сливается в бачок через полость В. При повороте вкладыша 2 и смещении золотников (верхнего влево, нижнего вправо) доступ жидкости из полости А в канал к нижнему золотнику прекращается, а соответствующая полость силового цилиндра связывается через верхний золотник с полостью В и сливной магистралью. Проход в канал верхнего золотника из полости А открывается еще больше, соответствующая полость силового цилиндра изолируется узкой кромкой нижнего золотника от сливной магистрали, и давление в ней повышается.

Рис. 20. Рулевой механизм со встроенным усилителем фирмы Ценрадфабрик (модель 8000) и устройство для ограничения хода поршня

Установка золотников в нейтральном положении осуществляется торсионом.

Реактивное действие создается плунжерами 7. При смещении нижнего золотника влево давление, создаваемое насосом в полости А, действует на нижний золотник с двух сторон: слева на торец, справа на плунжер 7. Вследствие различия площадей золотника и плунжера создается разность усилий, препятствующая смещению золотника влево и пропорциональная давлению в системе. Верхний золотник при этом уравновешен, так как давление насоса полости А передается по каналу к правому торцу верхнего золотника.

Усилитель имеет устройство для выключения усилителя в крайних положениях поршня (рис. 20, б).

На валу 8 сошки укреплен штампованный зубчатый сектор 9, связанный с двумя золотниками 10 и 11. При повороте вала сошки в крайнее положение соответствующий золотник связывает напорную полость силового цилиндра со сливной магистралью.

Распределители систем с закрытым центром имеют золотники, гребни которых перекрывают каналы, ведущие к напорной магистрали, при нейтральном положении золотника. Питающая магистраль находится постоянно под давлением. Как уже отмечалось, система с закрытым центром применяется в том случае, если гидронасос обслуживает, кроме усилителя рулевого управления, другие агрегаты. Такая система используется на автомобилях Ситроен среднего и высокого класса. Гидравлическая система применяется в основном для обслуживания подвески, поэтому необходим аккумулятор давления. Он питает систему усилителя рулевого управления.

На автомобиле установлен рулевой механизм реечного типа. Шток поршня является продолжением рейки. Распределитель расположен на валу ведущей шестерни. Поворот рулевого колеса вызывает смещение двух осевых золотников, каждый из которых управляет определенной полостью силового цилиндра.

Реечные рулевые механизмы при наличии гидроусилителя можно применять на легковых автомобилях среднего класса. Без усилителей из-за большой обратимости их можно устанавливать только на микролитражных автомобилях.

Рулевое управление реечного типа с гидроусилителем английского автомобиля Волслей 18/85 (рис. 21) интересно конструкцией привода к распределителю. Картер ведущей шестерни выполнен отдельно от картера рейки и удерживается от перемещения вдоль нее штоком, который одним концом связан с золотником распределителя, другим - с картером ведущей шестерни. Корпус распределителя закреплен неподвижно на картере рейки. Золотник относительно корпуса перемещается реактивной силой, действующей между ведущей шестерней и рейкой при повороте рулевого колеса.

Рис 21. Реечное рулевое управление со встроенным усилителем автомобиля Волслей 18/85

Следует отметить, что из рассмотренных распределителей многие, совершенно разные по конструкции, практически равноценны как по сложности, так и по эксплуатационным показателям. Разнообразие зарубежных конструкций в основном объясняется патентными ограничениями.

Выше рассмотрены все основные типы распределителей, применяемых в настоящее время. Более ранние конструкции имеют привод от деталей рулевого управления, расположенных за рулевой парой в кинематической цепи рулевого управления, ближе к управляемым колесам. Во многих конструкциях последних лет на легковых автомобилях применяются усилители, приводящиеся в действие вследствие углового смещения рулевого вала относительно вала винта рулевой передачи. Эти распределители обеспечивают большую чувствительность управления, лучшее чувство дороги, меньший зазор, необходимый для включения усилителя. Они являются наиболее перспективными. Распределители с приводами такого типа могут выполняться как с роторными, так и осевыми золотниками. Роторные распределители имеют более компактный привод управления, однако более сложны в технологическом отношении. Кроме того, форма вращающейся гильзы такого распределителя под действием высокого давления изменяется, что может привести к заклиниванию золотника в гильзе или гильзы в корпусе. Поэтому гильза должна конструироваться достаточно жесткой, а между золотником и гильзой, а также гильзой и корпусом должны предусматриваться радиальные зазоры, что усложняет уплотнение.