Насосы усилителей

Наиболее сложным и нагруженным узлом гидросистемы усилителя является насос. Условия работы насоса гидроусилителя рулевого управления существенно отличаются от условий работы гидронасосов, применяемых в общем машиностроении. Это обусловлено следующим. Насос усилителя приводится во вращение от двигателя автомобиля, работающего в резко переменном режиме (по числу оборотов); давление насоса постоянно меняется так как сила сопротивления колес повороту и сила ударов со стороны дороги на колесо носят случайный характер; температура масла в бачке гидронасоса достигает 100°С и более, а зимой может опуститься ниже - 50°С; запыленность воздуха вокруг насоса часто бывает очень значительной; место для размещения насоса обычно ограничено. Кроме того, шум при работе насоса не должен превышать шума, создаваемого при работе двигателя.

Все перечисленные выше условия работы насосов гидроусилителей рулевого управления автомобиля обусловливают некоторую специфичность их конструкций.

Насосы гидроусилителя состоят из корпусных и рабочие деталей, деталей привода и распределения со всасывающими и нагнетательными каналами, клапанов расхода и предохранительного бачка с резервным количеством масла, фильтров и инжекторов для повышения абсолютного давления в полостях всасывания при высоком числе оборотов.

Рис. 22. Насос ЗИЛ-130

Конструкция рабочих деталей насоса определяет его тип. В системах гидроусилителей распространены лопастные насосы двойного действия (рис. 22), имеющие шестерни с внутренним циклоидальным зацеплением (рис. 23), и роликовые (рис. 24).

Рис. 23. Насос фирмы Кальцони серии Альги

Насосы такого типа называются героторными. Отдельные фирмы используют насосы с роторами, в пазы которых заложены сухарики специальной формы.

Рис. 24. Общий вид насоса роликового типа

В гидроусилителях тракторов, а также на автомобилях с дизелями, имеющими относительно низкое максимальное число оборотов, применяются шестеренные насосы с наружным зацеплением. Шестеренные насосы установлены на автомобилях БелАЗ-540 и МАЗ-500.

В системах с аккумуляторами давления для создания давлений 120-150 ^кГ/_см² используют поршневые насосы.

Рассмотрим наиболее распространенный тип насоса - лопастной. Этот насос установлен на большинстве отечественных автомобилей, имеющих гидроусилители. Насосы такого типа для усилителей выпускаются многими зарубежными фирмами, в частности фирмами Виккерс, Сайгинау, Цанрадфабрик.

Статор 2 (рис. 22) насоса автомобиля ЗИЛ-130 имеет две полости нагнетания 15 и две полости всасывания 13, разделенные лопатками. Полости расположены симметрично относительно оси ротора, вследствие чего ротор насоса уравновешивается, и рабочее давление не создает нагрузки на подшипники. Ротор укреплен на конце вала 1 на шлицах и имеет свободную посадку. Лопатки прижимаются к статору под действием центробежных сил и рабочего давления. Профиль статора выполнен со специальной кривой.

Объемный к. п. д. насоса в основном зависит от величины торцовых зазоров: между ротором 3 и лопатками 16 с одной стороны и корпусом и распределительным диском 4 с другой. Эти зазоры у насоса автомобиля ЗИЛ-130 равны 0,01-0,02 мм.

Распределительный диск прижимается к статору под давлением жидкости в полости 10 крышки корпуса насоса. В период пуска, когда отсутствует давление в системе, диск прижимается пружиной 8. Насосы такого типа способны работать в диапазоне чисел оборотов 500-4500 в минуту.

Насос работает следующим образом. Жидкость из передней части корпуса поступает через два окна 12 в торцовой стенке к полостям 13 всасывания одним потоком со стороны корпуса, вторым - через отверстия 14 в статоре и карманы распределительного диска 4 с другой стороны. Это уменьшает склонность к кавитации. Лопатки переносят жидкость в полости нагнетания 15, откуда она через отверстия в распределительном диске поступает в полость высокого давления 10 крышки корпуса и далее через калиброванное отверстие 5 в напорную магистраль.

Как уже отмечалось, производительность насоса рассчитывается таким образом, чтобы при числе оборотов двигателя, нескольких больших, чем холостые, или при холостых расход жидкости обеспечивал число оборотов рулевого колеса 1-1,5 в секунду. С повышением числа оборотов двигателя расход жидкости не должен увеличиваться намного. Для этого в крышке корпуса предусмотрен клапан 6 расхода жидкости. Если расход жидкости больше заданного, клапан перемещается, сжимая пружину 8, и часть жидкости поступает в коллектор 11. Поэтому производительность насоса с увеличением числа оборотов воз-растает незначительно.

Поток жидкости от клапана 6, действуя по принципу эжекции, захватывает часть жидкости из бачка и создает в противоположной части коллектора 11 избыточное давление, уменьшающее разрежение на всасывании, что предотвращает кавитацию в полостях статора при большом числе оборотов.

Принцип действия клапана расхода масла заключается в Следующем. Жидкость, проходя от рабочих деталей через жиклер 5 в напорную магистраль, дросселируется, в результате чего создается разность давлений жидкости в полостях до и после жиклера. Эта разность пропорциональна квадрату количества жидкости, проходящей через жиклер, и не зависит от давления в магистрали. Усилие, создаваемое на клапане разностью давлений, уравновешивается пружиной 8. Как только расход жидкости превысит заданный, золотник сожмет пружину 8 и откроет канал, связанный со всасывающими окнами.

Внутри клапана расхода расположен предохранительный клапан 9. В случае повышения давления жидкости в напорной магистрали более допустимого предохранительный клапан 9 открывается. При этом жидкость, находящаяся в полости, где расположена пружина 8, поступает в сливную магистраль. Так как указанная полость связана с напорной магистралью отверстием малого сечения 7, то давление жидкости в ней понизится, вследствие чего пружина 8 сожмется, клапан расхода переместится, и жидкость потечет к сливной магистрали так же, как при работе клапана расхода при большом числе оборотов. Из распределителя жидкость поступает в бачок через фильтр.

Насос может быть установлен на автомобиль вместе с бачком или отдельно (автомобили КрАЗ). В последнем случае на место бачка устанавливается специальный коллектор, связывающий сливное отверстие клапана расхода с отверстием всасывания, а бачок соединяется с коллектором дополнительным шлангом.

Насос, изображенный на рис. 23, является героторным. Насос такого типа установлен на автомобиле ГАЗ-13 "Чайка". За рубежом эти насосы выпускаются фирмами Цанрадфабрик и Кальцони.

Пространство между внутренней и наружной шестернями разделяется по линиям контакта зубьев шестерен на отдельные полости. При вращении шестерни полости по одну сторону оси симметрии увеличиваются, а по другую - уменьшаются, и жидкость, нагнетается в напорную магистраль. Зубья внутренней шестерни постоянно находятся в контакте с зубьями наружной. Относительная скорость скольжения шестерен в зацеплении очень мала, так как число зубьев у ведущей (внутренней) шестерни на один меньше, чем у ведомой.

Давление в полости нагнетания стремится разжать шестерни, нарушив контакт между зубьями.

Вал внутренней шестерни вращается в опорных бронзовых втулках, наружная шестерня - во втулке из биметаллической ленты.

Чтобы обеспечить удовлетворительный объемный к. п. д. насоса, зазор между зубьями шестерен, замеренный при снятом вале, не должен превышать 0,02-0,03 мм. Если зазор превышает указанную величину, то рабочее давление создает нагрузку на опорные втулки вала.

Торцовый зазор не регулируется. Объемный к. п. д. насосов понижается при увеличении зазоров между зубьями шестерен и износе торцов корпуса и шестерни. Число оборотов вала внутренней шестерни достигает 9000 в минуту. Максимальное давление, развиваемое насосами этого типа, составляет 100 ^кГ/_см².

Фирма Кальцони изготавливает героторные насосы такого типа серии Альги.

Для усилителей рулевого управления насосы этой серии выпускаются в двух модификациях с производительностью 9 (при 750 ^об/_мин) и 12 ^л/_мин (при 600 ^об/_мин). Максимальное давление 70 или 100 ^кГ/_см².

Насос состоит из двух крышек из алюминиевого сплава и чугунного корпуса с рабочими деталями. Клапаны расхода насосов работают так же, как и клапаны расхода насосов ЗИЛ-130, хотя конструктивно они выполнены по-другому.

Жидкость от рабочих деталей поступает в полость А, канал Б и затем в напорную магистраль В. В канале Б с помощью иглы 2 жидкость дросселируется, поэтому между давлениями в полостях А и В существует разность, пропорциональная квадрату скорости жидкости в канале Б. Когда разность давлений создаст усилие, превышающее предварительный натяг пружины 3, золотник 1 сместится влево и откроет проход жидкости из полости высокого давления А в полость всасывания Г. Внутренняя полость золотника ,1 связана со всасывающими каналами. Расход жидкости регулируется величиной дросселирующего отверстия в канале Б с помощью иглы 2; давление - прокладками под пружиной клапана давления 4.

В 1968 г. на английских автомобилях появились насосы героторного типа фирмы Борг-Уорнер новой модификации. Для уст-ранения зазора между зубьями шестерен у этих насосов в пазы, выполненные в вершинах зубьев внутренней шестерни, вставлены лопатки.

В настоящее время фирма Итон (США), являвшаяся ранее основным изготовителем героторных насосов, выпускает роликовые насосы (рис. 24). Принцип действия роликового насоса такой же, как и у лопастного насоса одностороннего действия. Роль лопаток выполняют ролики. Статор выполнен по специальной кривой, обеспечивающей бесшумность работы. Ось ротора смещена относительно оси статора. Во время вращения ролики прижимаются к статору под действием центробежных сил и давления. Всасывающие полости расположены по одну сторону плоскости симметрии, нагнетающие - по другую. Подшипники вала ротора постоянно нагружены рабочим давлением. Торцовый зазор не регулируется.

В настоящее время выпускаются роликовые насосы двойного действия уравновешенные. Все рассмотренные насосы представляют собой отдельный агрегат и приводятся во вращение клиновым ремнем от шкива коленчатого вала двигателя или муфтой от вала генератора или компрессора. У некоторых двигателей место для установки насоса гидроусилителя предусматривается при конструировании двигателя. У автомобиля ЗИЛ-114 насос является частью двигателя. Он размещен на крышке распределительных шестерен и приводится в действие непосредственно коленчатым валом двигателя. Ротор представляет собой кольцо, несущее по наружному диаметру лопатки. Кольцо закреплено на втулке шейки коленчатого вала. Насос не имеет вала ротора и его подшипников. Статор и корпус выполнены также в виде колец. В связи с тем, что во время вращения наблюдается биение коленчатого вала, корпус насоса закреплен не жестко, а через резиновые втулки. Бачок расположен отдельно от насоса. Жидкость из клапана расхода поступает непосредственно во всасывающую полость, никаких устройств для создания давления жидкости на всасывании не сделано, так как ширина ротора и статора мала, проходные сечения большие, а клапан расхода находится в непосредственной близости от полости всасывания.

Иногда систему гидроусилителя рулевого управления объединяют частично с другими гидросистемами автомобиля. Например, на автобусе Мерседес 0317 установлен лопастной насос двойного действия двухсекционный. Одна из секций работает на гидродвигатель привода вентилятора, вторая - на гидроусилитель рулевого управления. Жидкость подводится к обеим секциям из полости корпуса, расположенной между ними. Секция усилителя оборудована клапаном расхода и предохранительным клапаном. Бачок с резервным количеством жидкости общий.

Система гидроусилителя рулевого управления автомобиля БелАЗ-540 объединена с системой опрокидывания кузова. У них общий масляный резервуар; насос гидроусилителя рулевого управления при превышении в системе гидроподъемника определенного уровня давления автоматически включается в систему опрокидывания кузова.

Бачки насосов гидроусилителя рулевого управления служат для компенсации изменения объема системы при работе цилиндра усилителя двустороннего действия со штоком только с одной стороны и изменения объема трубопроводов при увеличении давления и расширении жидкости при нагревании, а также для охлаждения жидкости.

В бачке обычно расположены фильтр и устройства, уменьшающие разрежение на всасывании, описанные выше. Объем бачка насоса легкового автомобиля обычно составляет 10-15% номинального расхода жидкости в минуту, у грузового автомобиля 15-20%.

Бачки устанавливают непосредственно над насосами (см. рис. 22), а при недостатке места - отдельно от насосов и соединяют с ними шлангами. Иногда насос помещают внутри бачка, и он служит кожухом насоса.

Бачок и насос конструкторы стремятся установить в таком месте, где они обтекаются воздухом от вентилятора. Если такое охлаждение не эффективно, и температура масла поднимается выше 90-100°С, вокруг бачка размещают дополнительный змеевик, по которому проходит масло, сливающееся из системы, или предусматривают специальный радиатор.

В бачках насосов некоторых грузовых автомобилей и автобусов устанавливают датчики уровня масла с контрольной лампочкой, выведенной на щиток приборов. Сечение трубопроводов, питающих насос, делают возможно большим. Фильтры устанавливают на сливной магистрали. Обычно у них предусмотрены предохранительные клапаны, пропускающие масло в бачок если фильтр засорился. Фильтры бывают сетчатыми, бумажными, капроновыми.

Шум, создаваемый насосом усилителя, не должен прослушиваться на фоне шума двигателя при любом числе оборотов. Шум в насосе может возникнуть при отрыве лопаток (роликов) от статора, вибрации клапана расхода, наличии запертых объемов жидкости, резком переходе объема жидкости из области с низким давлением в область высокого давления, кавитации. Шум в героторном насосе, кроме того, может происходить при большом числе оборотов из-за несовершенства формы зубьев шестерен.

Для борьбы с шумом статоры лопастных и роликовых насосов выполняют по специальным кривым для обеспечения минимального радиального ускорения роликов и лопаток; профиль героторных насосов выполняется очень тщательно.

Вибрацию клапана расхода жидкости устраняют гашением колебаний путем дросселирования жидкости, проходящей через отверстие 7 (см. рис. 22). Чтобы не допустить возникновения запертых объемов в камерах нагнетания, на торцах корпусов и крышек от всасывающих и нагнетающих окон делают канавки в виде сужающихся усиков, направленных по окружности.

Тем самым несколько перекрываются всасывающие и нагнетающие окна, а также смягчается резкость перехода от зоны разрежения к зоне высокого давления жидкости. С этой же целью выбирают вполне определенной жесткости шланг высокого давления, идущий от насоса к распределителю (под жесткостью в данном случае подразумевается изменение объема шланга при увеличении или уменьшении давления). Кроме того, корректируют профиль статора лопастных и роликовых насосов.

В системах гидроусилителей рулевого управления применяются специальные масла с противозадирной и стабилизирующей присадками. Для усилителей грузовых автомобилей, на которых установлен насос ЗИЛ-130, рекомендуется применять всесезонное масло Р, а для легковых - масло А для автоматических коробок передач.