Пристрій кермового механізму (гідропідсилювач керма та кермовий механізм)
У цій статті ми розглянемо особливості двох найбільш поширених типів кермового механізму: рейковий кермовий механізм та кермовий механізм з кульковою гайкою.
Також ми поговоримо про кермо з гідропідсилювачем і дізнаємося про цікаві технології розвитку систем кермового управління, здатних збільшити економічність.
Можливо, ви здивуєтеся, дізнавшись, що при повороті колеса на передній осі роблять різну траєкторію (що забезпечує легкий поворот). Отже, внутрішнє колесо (найближче до повороту) повертається більше, ніж зовнішнє. Як було сказано раніше, існує рейковий кермовий механізм і кермовий механізм з кульковою гайкою.
Річковий кермовий механізм
Рейковий кермовий механізм отримує широке застосування на легкових автомобілях, малих вантажівках та позашляховиках. Цей тип кермового механізму - найпростіший і найлегший. Шестерня на рульовому валу зчеплена із зубчастою рейкою. Коли ви повертаєте кермо, шестерня починає обертатися і наводить рейку в рух.
Рульовий наконечник на кінці рейки з'єднується з рульовою сошкою на шпинделі (див. картинку вище). Функція зубчастої рейки з шестернею полягає у забезпеченні передавального відношення, що полегшує поворот колеса. Більшість автомобілів влаштовані так, що потрібно від трьох до чотирьох повних обертів керма, щоб розгорнути колеса на 180 градусів. Передатне відношення кермового механізму - це відношення градуса повороту керма до градуса повороту коліс. Наприклад: припустимо, один повний оборот керма (360 градусів) повертає колесо на 20 градусів, тоді передатне відношення кермового механізму – 18:1 (360 розділити на 20).
Чим вищеспіввідношення, тим більший градус повороту керма і тим менше зусиль потрібно докласти. Як правило, у легких спортивних автомобілів передатне відношення кермового механізму нижче, ніж у великих автомобілів та вантажівок. При низькому передавальному відношенні кермового механізму вам не потрібно із зусиллям крутити кермо, щоб виконати поворот. Також існують автомобілі зі змінним передатним ставленням кермового механізму. У цьому випадку у зубчастої рейки з шестернею різний крок зубів (кількість зубів на дюйм) у центрі та з боків, як наслідок, автомобіль реагує на поворот швидше.
Коли зубчаста рейка перебуває у системі кермового управління, представляється така картина. У рейку поміщений циліндр із поршнем з отворами на кінцях. Підсилювач переміщує рідину під високим тиском з одного кінця поршня в інший, змушує його (поршень) переміщатися, який змушує переміщатися рейку.
Кульовий механізм з кульковою гайкою
Рульовий механізм із кульковою гайкою можна зустріти на багатьох вантажівках та позашляховиках. Ця система дещо відрізняється від системи рейкового кермового механізму. У кермовому механізмі з кульковою гайкою є так званий хробак.
Подумки можна розділити черв'яка на дві частини. Перша частина являє собою металевий блок з різьбленням (зуб'ями), який обертає рульову сошку (див. малюнок вище). Рульове колесо з'єднане з різьбовим стрижнем, подібним до болта, прикріпленого до блоку. Коли кермо обертається, болт повертається разом з ним. Замість того, щоб закручуватися в блок, як звичайні болти, цей болт закріплений так, що коли він обертається, він рухає блок, який у свою чергу рухає черв'яка.
Болт не стикається з різьбленням зблоком, оскільки вона заповнена шарикопідшипниками, що циркулюють за механізмом і зменшують тертя, знос і засмічення. Якщо в кермовому механізмі не буде кульок, на якийсь час зуби не стикатимуться один з одним і ви відчуєте, що кермо втратило жорсткість. Гідропідсилювач у кермовому механізмі з кульковою гайкою функціонує так само, як і в рейковому кермовому механізмі. Зараз ми розглянемо різні компоненти рульового управління.
Гідропідсилювач керма
Гідропідсилювач складається з насоса та поворотного клапана. Лопатевий насос забезпечує кермовий механізм гідравлічною енергією (див. діаграму нижче).
За допомогою ременя та шківа двигун приводить насос у дію. Насос має комплект лопаток, що обертаються всередині овальної камери. Обертаючись, лопатки переміщують гідравлічну рідину, що знаходиться під низьким тиском, із зворотної трубки у випускний отвір (тиск збільшується). Сила потоку залежить від кількості обертів двигуна автомобіля. Насос повинен забезпечувати потрібний напір і під час роботи двигуна на режимі холостого ходу.
В результаті насос переміщає більшу кількість рідини, коли двигун працює на більш високих швидкостях. Насос має запобіжний клапан, який допомагає регулювати тиск, особливо при високих обертах двигуна, коли великий обсяг рідини перекачується.
Система керування з гідроуселювачем повинна функціонувати лише тоді, коли водій докладає зусиль при повороті кермового колеса. Якщо водій не докладає зусиль (наприклад, під час руху прямою), система не повинна працювати. Пристрій, який реагує на збільшення сили, що додається, при повороті керма називається поворотним клапаном. Невід'ємною частиною поворотного клапана єторсіон.
Торсіон є тонким металевим стрижнем, який закручується під дією крутного моменту. Один кінець торсіону з'єднаний з кермовим колесом, а другий з шестернею або черв'яком (який задіяний при повороті коліс), при цьому число обертів моменту, що крутить, в торсіоні дорівнює числу обертів крутного моменту, необхідного для повороту колеса. Чим більший момент, що крутить, необхідний для повороту колеса, тим більше закручується торсіон.
Вхідний вал формує внутрішню частину золотникового клапана, який також з'єднується із верхньою частиною торсіону. Нижня частина торсіону приєднується до зовнішньої частини клапана. Торсіон також пов'язаний з кермовим механізмом, з'єднаним або з шестернею, або з черв'яком (залежно від типу керма). Закручуючи, торсіон обертає внутрішню частину золотникового клапана, зовнішня залишається нерухомою. Оскільки внутрішня частина клапана також з'єднана з кермовим валом (а, отже і кермом), кількість обертів внутрішньої частини клапана залежить від кількості обертів рульового колеса.
Коли кермо нерухоме, по обох гідравлічних трубках до кермового механізму надходить однаковий обсяг тиску. Але якщо золотниковий клапан повернутий - канали відкриті і через них до гідравлічних трубок під високим тиском надходить рідина. Як показує практика, цей тип системи кермового управління досить нераціональний.
Що чекає кермо з гідропідсилювачем завтра?
Оскільки насос кермового механізму з гідропідсиленням на більшості автомобілів безперервно перекачує рідину, він витрачає потужність та переводить паливо. Можливо, у зв'язку з цим ви очікуєте появи ряду нововведень, які дозволять поліпшити економію палива. Однією з найвдаліших ідеї є система зкомп'ютерним керуванням. Ця система повністю виключає механічний зв'язок між кермовим колесом та кермовим механізмом, замінивши її електронною системою управління.
Фактично кермо працює так само, як те, що призначене для комп'ютерних ігор. Кермо забезпечать датчиками, які будуть подавати сигнал автомобілю про напрям руху коліс і моторами, що забезпечують зворотну реакцію на дії автомобіля. Потужність цих датчиків буде використовуватися для керування кермового механізму з електроприводом, у цьому випадку кермовий вал не потрібен і місця в моторному відсіку стає більше.
General Motors представив концепт-кар Hy-wire, на якому вже встановлено таку систему. Найпримітнішим у системі з електронним керуванням автомобіля від GM є те, що ви можете налаштувати керованість автомобіля за допомогою нового комп'ютерного програмного забезпечення. У автомобілях з електронним керуванням майбутнього ви зможете підлаштувати систему контролю під себе, достатньо лише натиснути кілька кнопок. Все дуже просто! За останні п'ятдесят років система кермового управління не сильно змінилася. Але в наступному десятилітті настане епоха більш економічних автомобілів та комфортнішої їзди.