Усилитель рулевого привода служит для уменьшения усилий, затрачиваемых водителем на управление автомобилем или колесным трактором, а также для обеспечения возможности управляемого движения автомобиля с высокой скоростью при внезапном и резком уменьшении давления воздуха в одной из шин управляемых колес.
Усилители позволяют облегчить управление, особенно при выходе из глубокой колеи или борозды, смягчить удары на рулевое колесо от неровностей дороги, сократить время поворота и сохранить устойчивость прямолинейного движения.
Основные требования к усилителям следующие:
• обеспечивать возможность управления машиной в любых условиях с определенным пределом пропорциональности усилия на рулевом колесе к сопротивлению поворота колес, чтобы у водителя сохранялось «чувство дороги»;
• не препятствовать стабилизации управляемых колес под действием стабилизирующего момента, т.е. возвращаться в положение, соответствующее прямолинейному движению;
• предотвращать передачу толчков от колес на рулевое колесо;
• обеспечивать высокую чувствительность для минимального времени срабатывания системы.
Применяемые усилители являются следящими системами с обратной связью, которые автоматически воспроизводят (отслеживают) закономерность изменения сигнала, создаваемого водителем на органах управления. В рулевых управлениях следящее устройство обеспечивает соответствие между углом поворота рулевого колеса и углом поворота управляемых колес.
Обратная связь, под действием которой приостанавливается подача энергии к исполнительному механизму при прекращении поворота рулевого колеса, может быть как механическая, в виде системы рычагов, так и гидравлическая. Усилители могут быть гидравлические, пневматические, электрические и смешанного типа. Наиболее широкое распространение в рулевом приводе получили гидроусилители.
Принципиальная схема рулевого управления с гидроусилителем изображена на рис. 6.5. Насос 11 подает рабочую жидкость из бака 12 по напорной линии 10 к распределителю 1. При прямолинейном движении золотник 7 распределителя 1 находится посередине и рабочая жидкость к соединительным линиям 5, 6 не поступает. По сливным линиям 14 рабочая жидкость возвращается в бак 12.
Рис. 6.5. Принципиальная схема рулевого управления с гидроусилителем: 1 — распределитель; 2 — тяга обратной связи; 3 — рычаг; 4 — силовой цилиндр; 5, 6 — соединительные линии; 7 — золотник; 8 — сошка; 9 — рулевое колесо; 10 — напорная линия; 11 — насос; 12 — бак; 13 — перепускной клапан; 14 — сливные линии; → — направление движения рабочей жидкости; ↔ — направление перемещения золотника
При повороте рулевого колеса 9 вправо сошка 8 перемещает золотник 7 распределителя 1 влево. Напорная линия 10 соединяется с соединительной линией 5, подающей рабочую жидкость в верхнюю полость силового цилиндра 4. Поршень, шток которого соединен с поворотным рычагом 3 управляемого колеса машины, перемещается вниз, и колеса поворачиваются вправо. По линиям 6, 14 рабочая жидкость возвращается в бак 12.
При повороте рулевого колеса 9 влево сошка 8 перемещает золотник 7 распределителя 1 вправо. Напорная линия 10 соединяется с соединительной линией 6, подающей жидкость в нижнюю полость силового цилиндра 4. Поршень перемещается вверх, и колеса поворачиваются влево. По линиям 5, 14 рабочая жидкость возвращается в бак 12.
Корпус распределителя 1 сделан подвижным и тягой 2 обратной связи соединяется с рычагом 3. При повороте управляемого колеса машины тяга 2 перемещает корпус распределителя 1 в сторону перемещения золотника 7. В момент остановки рулевого колеса золотник 7 оказывается в нейтральном положении относительно корпуса распределителя, соединительные линии 5 и 6 разобщаются с напорной линией 10, и подача жидкости к силовому цилиндру 4 прекращается. При этом рабочая жидкость из насоса через перепускной клапан 13 вновь поступает к насосу 11. Для поворота управляемых колес на больший угол необходимо продолжить поворот рулевого колеса и сместить золотник 7.
В зависимости от конструкции распределителя следящее действие может осуществляться либо по перемещению рулевого колеса, либо по силе сопротивления повороту или с использованием обоих методов (комбинированный распределитель).
Распределитель, обеспечивающий следящее действие по перемещению, описан при рассмотрении схемы, изображенной на рис. 6.5. Отличительной его чертой является механическая обратная связь, осуществляемая связующим элементом — тягой 2 обратной связи.
В зависимости от места установки распределителя и исполнительного элемента, и по наличию обратной связи гидроусилитель рулевого привода может быть выполнен по одной из четырех компоновочных схем, приведенных на рис. 6.6, а — г.
1. В схеме гидроусилителя на рис. 6.6, а (автомобили ЗИЛ, КамАЗ, тракторы ЛТЗ и МТЗ) распределитель Р, силовой цилиндр СЦ и рулевой механизм РМ объединены в одном агрегате. В качестве примера можно привести конструкцию, показанную на рис. 6.3.
Рис. 6.6. Компоновочные схемы гидроусилителей: а — совместное расположение распределителя Р, силового цилиндра СЦ и рулевого механизма РМ; б — совместное расположение Р и СЦ и отдельное расположение РМ; в — раздельное расположение Р, СЦ и РМ; г — совместное расположение Р и РМ и отдельное расположение СЦ
В РМ с гидроусилителем картер 1 (см. рис. 6.3) механизма является одновременно цилиндром гидроусилителя. Поворот водителем рулевого колеса и винта 3 приводит к его продольному перемещению в поршне-рейке 2 и созданию осевого усилия на упорном подшипнике 6. К картеру 1 РМ прикреплен клапан управления с золотником 7 и реактивными плунжерами 8, разжатыми пружиной 9.
Если осевая сила, создаваемая водителем на упорном подшипнике 6, превышает усилие сжатия пружин, то упорный подшипник перемещает плунжеры и золотник. При этом одна полость цилиндра гидроусилителя сообщается с линией высокого давления, связывающей гидронасос с РМ, а из другой полости масло возвращается в насос. Поршень-рейка 2 под возросшим давлением масла начинает перемещаться и при этом поворачивает вал 10 рулевой сошки и саму сошку 11. С увеличением сопротивления повороту управляемых колес возрастают давление в цилиндре и под реактивными плунжерами, а также усилие на рулевом колесе. Следовательно, с изменением сопротивления повороту управляемых колес пропорционально изменяется сопротивление повороту рулевого колеса, тем самым создается у водителя «чувство дороги».
С прекращением поворота рулевого колеса масло в течение короткого периода времени продолжает перемещать поршень-рейку 2 с винтом 3, сдвигая при этом золотник 7 к среднему положению, что вызывает снижение давления в цилиндре до необходимого уровня для удержания колес в установленном положении и прекращает движение поршня-рейки, а также поворот управляемых колес.
К преимуществам этой схемы следует отнести компактность, минимальную длину трубопроводов и, как следствие, высокое быстродействие. Существенным недостатком является нагружение всех элементов рулевого привода и частично рулевого механизма, а также большие габаритные размеры основного агрегата, что затрудняет его компоновку.
2. В схеме гидроусилителя на рис. 6.6, б (автомобили БелАЗ, МАЗ) совместно скомпонованные Р и СЦ расположены отдельно от РМ в продольной рулевой тяге.
В рассматриваемой схеме используется обычный РМ и трубопроводы небольшой длины. Недостатками этой схемы по сравнению с первой являются большая масса гидроусилителя и определенное месторасположение СЦ, так как скомпонованный с ним Р должен быть связан с сошкой.
В схеме гидроусилителя на рис. 6.6, в (автомобили ГАЗ) все основные элементы (РМ, Р и СЦ) расположены отдельно один от другого, что обеспечивает удобство их компоновки на автомобиле, а также возможность использования стандартных деталей рулевого управления и типового РМ.
Распределитель на грузовом автомобиле размещен в продольной тяге, а СЦ — на переднем мосту. Включение СЦ в схему вблизи управляемых колес позволяет разгрузить значительную часть элементов рулевого управления от действия больших сил.
Недостатком схемы является большая длина трубопроводов, что приводит к снижению чувствительности и повышению вероятности возникновения колебательных процессов в системе гидроусилителя.
Принципиальное устройство гидроусилителя, выполненного по этой схеме, и его работа рассмотрены ранее (см. рис. 6.5).
1. В схеме гидроусилителя на рис. 6.6, г (автомобили «Урал», КрАЗ, тракторы К-703, Т-150К с шарнирно сочлененной рамой) предусматривается расположение Р в картере РМ, а СЦ (у тракторов двух СЦ) в рулевом приводе. У тракторов с шарнирно сочлененной рамой поворачивающий момент создается двумя СЦ, действующими на поперечные рычаги, прикрепленные к одной из полурам.
На рис. 6.7 изображена схема рулевого управления с гидроусилителем трактора К-703 в режиме поворота. Схема включает в себя рулевое колесо 3, РМ (пара червяк 4 — сектор 5), распредели тель 17 с предохранительным клапаном 19, два СЦ 11 поворота, гидронасос 1, масляный бак 2 и маслопроводы.
Рис. 6.7. Схема рулевого управления с гидроусилителем трактора К-703 в режиме поворота: 1 — гидронасос; 2 — масляный бак; 3 — рулевое колесо; 4 — червяк; 5— сектор; 6 — тяга обратной связи; 7, 9 — полурама; 8 — ось; 10 — поршень СЦ; 11 — силовые цилиндры; 12, 15 — запорные клапаны; 13 — поршень-толкатель; 14 — клапанная коробка; 16, 19— предохранительные клапаны; 17— распределитель; 18— золотник; → — направление движения рабочей жидкости; А — поршневая полость СЦ; Б — штоковая полость СЦ
Следящее действие осуществляется по перемещению полурам 7 и 9 при помощи тяги 6 обратной связи, соединяющей рулевую сошку с задней полурамой 7. Гидроцилиндры двухстороннего действия (СЦ 11) шарнирно соединены с полурамами 9 и 7. На крышках СЦ укреплены клапанные коробки 14 с двумя запорными клапанами 12, 15, поджимаемыми пружинами. Между клапанами установлен поршень-толкатель 13. Для предотвращения поломок СЦ при повышенных давлениях установлены предохранительные клапаны 16, соединяющие полости СЦ со сливной линией.
При прямолинейном движении трактора СЦ 11 находятся в закрытом положении и удерживают полурамы от поворота вокруг оси 8. Золотник 18 под действием пружин установлен в нейтральном положении. Гидронасос 1 перекачивает масло из бака 2 через распределитель 17 и возвращает его в бак.
При повороте рулевого колеса 3 червяк 4, поворачиваясь при неподвижном секторе 5, перемещает золотник 18. При этом напорная линия соединяется с клапанными коробками 14. Под действием давления запорные клапаны напорных магистралей обоих СЦ открываются, поступающее в полости А и Б цилиндров масло перемещает поршни 10 со штоками в разные стороны, и в результате полурамы поворачиваются одна относительно другой. Вытесняемое из СЦ масло через открытые поршнем-толкателем 13 запорные клапаны сливных магистралей поступает в масляный бак. Тяга 6 обратной связи через сошку поворачивает сектор 5, стремясь вернуть золотник в нейтральное положение. Как только поворот рулевого колеса прекращается, тяга 6 и плунжеры возвращают золотник 18 распределителя 17 в нейтральное положение, запорные клапаны закрываются и фиксируют полурамы в заданном положении.