Рулевое управление автомобиля

Важность исправного рулевого управления

Любое транспортное средство относится к категории источника повышенной опасности, поэтому, чтобы предотвратить неприятности, связанные с авариями и их последствиями, рекомендуется его содержать в исправности и постоянно контролировать техническое состояние.


Поскольку, основное назначение рулевого управления заключается в предоставлении водителю возможности маневрированного управления машиной, то исправное состояние системы обеспечит водителю уверенность и безопасность, которая, кстати, важна не только для него, но и для пассажиров.

Безопасное рулевое управление упомянуто и в правилах дорожного движения, которые запрещают эксплуатировать авто при выявлении неисправности системы управления, люфтов, при подтекании масла в рейке из-под пересохших сальников, а также наличия постоянных шумов.

Стоит отметить, что исправность системы управления авто оказывает немаловажное влияние на состояние шин, которые в идеальном случае должны изнашиваться равномерно, чтобы избежать впоследствии кидания транспортного средства по дороге и возникших сложностей в управлении даже после устранения проблем в системе управления

Устройство рулевого управления и принцип работы

Конструкция современного рулевого управления автомобиля состоит из трёх элементов:

  • колес,
  • колонки,
  • привода,
  • самого механизма.

Схема работы рулевого колеса не отличается особой сложностью, от водителя через колонку передаётся усилие механизму. Но этим функции данного устройства не ограничиваются. Дело в том, что через конструкцию водитель получает информации о характере покрытия. По характеру вибраций можно определить тип движения и согласно ему управлять автомобилем.

Диаметр рулевого колеса лежит в диапазоне от 380 до 425 мм. Правда, в грузовых автомобилях этот параметр немного больше. Он может доходить до 550 мм. Напротив, колесо спортивного автомобиля имеет маленький диаметр.

Колонка соединяет колесо и рулевой механизм. Данное устройство представляет собой обычный вал. Он имеет несколько шарнирных соединений. Конструкция рассчитана таким образом, чтобы при сильном фронтальном ударе происходило схлопывание. Это позволяет минимизировать возможность получения водителем травмы.

Рулевая колонка может иметь как механическое, так и электрическое регулирование. Регулировка делается по вертикали и по горизонтали. Чтобы защитить авто от угона возможна блокировка всей системы.

Задача рулевого механизма заключается в увеличении усилия, которое создаёт водитель своими руками. Его роль играет редуктор. Чаще всего на легковых машинах используется реечный механизм.

Сам механизм системы рулевого управления состоит из шестерней. Данная деталь монтируется на вал, который связывается с зубастой рейкой. Как только, происходит какое-либо движение рейка перемещается из стороны в сторону. Благодаря этому посредством рулевых тяг поворачиваются колёса.

Важно! В некоторых механизмах используется рейка с переменным шагом.

Переменный шаг в механизме рулевой рейки обеспечивает оптимальное маневрирование даже в самых сложных ситуациях. Данная деталь располагается в подрамнике. Он находится в подвеске.

Если же говорить про рулевое управление колёсами, то в некоторых моделях производители делают управляемыми все четыре колеса. Это обеспечивает повышенную устойчивость машины при езде на сложном рельефе.

Управление сразу четырьмя колёсами позволяет сделать машину более манёвренной при езде на больших скоростях. Данного результата удаётся добиться за счёт того, что каждое колесо поворачивается в нужную водителю сторону.

В механизме рулевого управления на четыре колеса интересно то, что эффекта «подруливания» можно добиться и при помощи пассивных средств. Данный эффект реализуется за счёт резинометаллических упругих элементов. Они крепятся в задней части подвески. Как только кузов кренится к боку благодаря воздействию механической нагрузки, меняется угол поворота колеса.

Рулевой привод управления обеспечивает также передачу усилия водителя, но при этом эффективно выбирает соотношение уголков поворота колёс. Ещё одна его задача — препятствовать повороту, когда подвеска находится в активном состоянии.

Устройство состоит из тяг и шарниров. Шарнир состоит из корпуса, шарового пальца, вкладышей и чехла. Чтобы с ним было удобнее работать, деталь делается в виде съёмного наконечника.

Система рулевого управления автомобилем имеет огромное количество кинематических параметров. Проще всего их представить в виде четырёх углов, на грани каждого находится:

  • развал,
  • схождение,
  • поперечный и продольный наклон,
  • плечи.

Последние в списке элементы отвечают за обкатку и стабилизацию. Задача системы рулевого управления создавать баланс между всеми элементами, так как они, по сути, противодействуют друг другу.

Усилитель руля не только позволяет уменьшить силу, которую водитель прикладывает для поворота, он помогает добиться большей точности. Дополнительно возрастает скорость отклика автомобиля на движение водителя.

Важно! Усилитель в системе рулевого управления позволяет монтировать в общую конструкцию детали, имеющие сравнительно небольшое придаточное число.

К рулевому управлению предъявляют следующие требования:

  1. Обеспечение высокой маневренности, при которой возможны крутые и быстрые повороты на сравнительно ограниченных площадях.
  2. Легкость управления, оцениваемая усилием, прилагаемым к рулевому колесу.
  3. Высокая степень надежности действия, поскольку выход рулевого управления из строя в большинстве случаев заканчивается аварией или катастрофой.
  4. Правильная кинематика поворота, при которой колеса всех осей автомобиля катятся по концентрическим окружностям (невыполнение этого требования приводит к скольжению шин по дороге, интенсивному их изнашиванию, излишним расходам мощности двигателя и топлива).
  5. Умеренное ощущение толчков на рулевом колесе при езде по плохим дорогам, что снижает безопасность движения.
  6. Точность следящего действия, в первую очередь кинематического, при котором любому заданному положению рулевого колеса будет соответствовать вполне определенная заранее рассчитанная крутизна поворота.
  7. Отсутствие в рулевом управлении больших зазоров, приводящих к плохому держанию автомобилем дороги, к его вилянию.

Рулевое управление машины с передними управляемыми колесами состоит из переднего моста, трапеции управления, рулевого привода и рулевого механизма (рисунок а). Передние колеса устанавливают на цапфах 13, соединенных с передней осью шкворнями. Все это образует передний мост.

На цапфах закреплены рычаги 11, связанные шарнирно с поперечными тягами 12, Рычаги 11 и поперечные тяги 12 с передней осью 14 составляют трапецию управления, предназначенную для поворота колес.

Тяги 22 соединены с рулевой сошкой 15, сидящей на валу 10 с закрепленным на нем зубчатым сектором 8. Рулевая сошка и вал 10 образуют рулевой привод, передающий усилие от сошки к поворотным цапфам.

Зубчатый сектор 8 находится в зацеплении с поршнем-рейкой 7, укрепленной на винте 6 гидроусилителя, и образует рулевой механизм. Действие рулевого механизма облегчается гидравлическим усилителем. Усилие к рулевому механизму передается от рулевого колеса 2, сидящего на валу 4, через карданную передачу 5 на винт 6.

В рулевых механизмах применяют передачи типа червяк ролик, червяк — сектор, червяк — червячная шестерня и др. Передачи первого типа наиболее распространены в рулевых механизмах тракторов и грузовых автомобилей.

На отечественных автомобилях принято левое (по ходу) рулевое управление, обеспечивающее лучший обзор. У тракторов рулевое управление расположено справа, благодаря чему создаются условия для лучшего наблюдения за работой агрегата и более точного его вождения при выполнении ряда технологических операций (пахота, косьба и т. д.).

С целью облегчения управления трактором или автомобилем применяют усилители рулевого управления преимущественно гидравлического типа (в тракторах К-701, Т-150К, МТЗ-80, ЛТЗ-55, в автомобиле ЗИЛ-130).


Управляемые (направляющие) колеса трактора (автомобиля) должны быть установлены правильно, чтобы износы шин и затраты мощности на качение были наименьшими, устойчивость — хорошей, а управление — легким. Установка управляемых (передних) колес характеризуется их развалом в вертикальной плоскости и схождением в горизонтальной, а также наклоном шкворней поворотных цапф в продольной и поперечной плоскостях.

Развал колес (рисунок б) определяется установкой цапф колес с наклоном их шипов вниз. Это позволяет уменьшить нагрузки на внешний подшипник и улучшить управляемость. Угол развала колес различных машин а < 2°.

Схождение колес (рисунок г) находят по разнице размеров А и Б между серединами колес впереди и сзади, если смотреть на них сверху. Схождение колес обеспечивает правильное параллельное качение их при наличии развала и зазоров в шкворнях, рулевых тягах и подшипниках колес. В руководстве по каждой машине указывают требуемые размеры А и Б, которые проверяют специальными приспособлениями и регулируют, изменяя длину поперечной тяги рулевого управления. Схождение колес находится в пределах 2…12 мм.

Поперечный в (рисунок б) и продольный у (рисунок в) наклоны шкворня способствуют повышению устойчивости колеса в среднем положении. Угол у, характеризующий поперечный наклон шкворня, составляет у автомобилей 6…8° и определяется соответствующей формой передней оси. Угол у, характеризующий продольный наклон шкворня, изменяется в пределах 0…40 и определяется установкой цапфы передней оси в наклонном положении. Углы наклона шкворней в процессе эксплуатации машин регулировкам не подлежат.

Рулевая колонка

Выполняет передачу вращательного усилия, которое создает водитель для изменения направления. Состоит она из рулевого колеса, располагаемого в салоне (на него и воздействует водитель, вращая его). Оно жестко посажено на вал колонки. В устройстве этой части рулевого управления очень часто используется вал, разделенный на несколько частей, соединенных между собой карданными шарнирами.

Такая конструкция сделана не просто так. Во-первых, это позволяет менять угол положения рулевого колеса относительно механизма, смещать его в определенную сторону, что нередко необходимо при компоновке составных частей авто. В дополнение такая конструкция позволяет повысить комфортабельность салона – водитель может менять положение рулевого колеса по вылету и наклону, обеспечивая максимально удобное его положение.

Во-вторых, составная рулевая колонка имеет свойство «ломаться» в случае ДТП, снижая вероятность травмирования водителя. Суть такова – при фронтальном ударе двигатель может сместиться назад и толкнуть рулевой механизм. Если бы вал колонки был цельным, изменение положения механизма привело бы к выходу вала с рулевым колесом в салон. В случае же со составной колонкой, перемещение механизма будет сопровождаться всего лишь изменением угла одной составляющей вала относительно второй, а сама колонка остается неподвижной.

Винтовой рулевой механизм

Винтовой рулевой механизм объединяет следующие конструктивные элементы: винт на валу рулевого колеса; гайку, перемещаемую по винту; зубчатую рейку, нарезанную на гайке; зубчатый сектор, соединенный с рейкой; рулевую сошку, расположенную на валу сектора.

Особенностью винтового рулевого механизма является соединение винта и гайки с помощью шариков, чем достигается меньшее трение и износ пары.

Принципиально работа винтового рулевого механизма схожа с работой червячного механизма. Поворот рулевого колеса сопровождается вращением винта, который перемещает надетую на него гайку. При этом происходит циркуляция шариков. Гайка посредством зубчатой рейки перемещает зубчатый сектор и с ним рулевую сошку.

Винтовой рулевой механизм в сравнении с червячным механизмом имеет больший КПД и реализует большие усилия. Данный тип рулевого механизма устанавливается на отдельных легковых автомобилях представительского класса, тяжелых грузовых автомобилях и автобусах.

Принцип работы

Принцип действия рулевого управления достаточно прост и базируется на правилах работы рычагов и передаточных механизмов. Рулевое колесо крепится на верхнюю часть вала и жестко закрепляется на нем.  На нижней части вала так же жестко закрепляется шестерня. В результате вращение руля усилие и угол поворота точно передается на нижнюю часть вала, заставляя таким же образом проворачиваться и шестерню.

Шестерня через пазы, соответствующие ее зубцам, соединена с металлической рулевой рейкой. Поэтому данные механизмы рулевого управления называются реечными. С помощью болтов или резьбового соединения на рейке закрепляются рулевые тяги, представляющие собой прочные цельнометаллические валы.

На тяги наворачивается важнейший элемент, от которого зависит работа рулевого управления автомобиля – рулевые наконечники. В них установлены рулевые пальцы, которые вставляются в рычаги поворотных кулаков, закрепляясь гайкой.

В поворотные кулаки вставляются колесные ступицы, тормозные диски и управляющие колеса автомобиля. Таким образом, усилие от руля через систему рычагов передается для их поворота на нужный угол.

Особенности конструкции, обеспечивающие долговечность и безопасность работы

Чтобы исключить попадание влаги и грязи, механизм рулевой рейки и шестерни закрывается кожухом. Это позволяет избежать неисправности рулевого управления, связанной с преждевременным износом этого узла, который подвергается повышенным нагрузкам. Для его герметизации дополнительно устанавливают резиновые пыльники. Чтобы облегчить управление автомобилем, на рулевой механизм дополнительно может ставиться гидравлический или электрический усилитель.

Важная деталь системы управления — рулевой наконечник, состоящий из рулевого пальца, укрепленного между верхним и нижним вкладышем. Чтобы они обжимали палец, в верхней части наконечника устанавливается пружина и конструкция плотно затягивается. Для защиты от пыли и влаги на наконечник устанавливают резиновый пыльник.

Сам палец затягивается в рычаг поворотного кулака специальной корончатой гайкой, чтобы она была зафиксирована на пальце. Гайка сначала затягивается, потом одна из прорезей короны совмещается с отверстием на пальце и шплинтуется. В некоторых моделях вместо этой системы используются самоконтрящиеся гайки.

Такая конструкция позволяет передавать усилие с рулевого колеса на механизм синхронно. Но в результате эксплуатации, сильных динамических ударов и стандартного износа, вкладыши разбиваются пальцем, и появляется люфт рулевого управления. Это приводит к тому, что усилие с рулевого колеса передается с запаздыванием, не синхронно.


При длительной эксплуатации это явление проявляется на обоих наконечниках и реечном соединении, это называется суммарный люфт в рулевом управлении. Определить его можно по величине свободного хода руля, когда он поворачивается, а усилие на управляющие колеса не передается. Большой суммарный люфт говорит о сильном износе рулевого управления и необходимости его ремонта.

Важным моментом ухода за рулевым управлением является отслеживание цельности резиновых пыльников. Попадание пыли и грязи в защищаемые ними элементы приводит к их быстрому износу. Их своевременная замена позволяет избежать дорогостоящего ремонта.

В автомобилях рулевой вал не является цельной конструкцией, он состоит из трех частей – вал рулевого колеса, рулевого механизма и карданной передачи. Такая конструкция позволяет регулировать руль по высоте. Для фиксации настроек используется специальный фиксатор.

Классификация рулевого управления

Принципиальных отличий между разными типами рулевого управления нет, но часто его классифицируют по типу редуктора рулевого механизма:

Тип редуктора «шестерня-рейка».

Устройство рулевого управления с редуктором типа «шестерня-рейка» 1 — руль; 2 — рулевой вал с шестерней; 3 — рейка; 4 — рулевые тяги; 5 — поворотные рычаги; 6 — колеса.

Это самая распространенная разновидность рулевого редуктора, которая за годы использования показала свою надежность.

Принцип действия очень простой: на рулевом валу (который отходит от рулевой колонки) закреплена продолговатая шестерня. Рулевая рейка имеет зубчатый участок, который входит в зацепление с этой шестерней. При вращении руля шестерня вращается на месте и толкает зубчатую рейку в одну или другую сторону. Соответственно приходят в действие и рулевые тяги.

Передаточное число на рейке может быть неизменным, а может меняться ближе к краям. Получить такой эффект просто: нужно изменить наклон зубьев на рейке. Благодаря этому для поворота на большой угол не нужно «крутить баранку» до посинения, количество оборотов руля для маневра сокращается.

Тип редуктора «червяк-ролик».

Устройство рулевого управления с редуктором типа «червяк-ролик»: 1 — руль; 2 — рулевой вал с червяком; 3 — ролик с валом сошки; 4 — рулевая сошка; 5 — средняя тяга; 6 — боковые тяги; 7 — поворотные рычаги; 8 — колеса; 9 — маятниковый рычаг; 10 — шарниры рулевых тяг.

Этот тип редуктора можно назвать устаревшим, поскольку его давно перестали устанавливать на автомобили. Тем не менее, он еще встречается на старых машинах.

В основе заложена червячная передача, в которой червяк закреплен на дополнительном валу рулевой колонки. При повороте руля вращается червяк и приводит в движение ролик, стоящий с ним в зацеплении.

Сдвигаясь по нарезке червяка, ролик заставляет вращаться вал, на который он установлен и к которому присоединен рычаг рулевой сошки. Вал вращается, рулевая сошка описывает полукруг, приводит в действие остальные элементы рулевого привода (среднюю тягу, маятниковый рычаг, боковую тягу, поворотные кулаки колес).

Винтовой тип редуктора.

Устройство редуктора рулевого управления винтового типа

По принципу действия он очень похож на червячный редуктор. Однако на дополнительном валу рулевой колонки установлен не червяк, а винт. Он входит в зацепление с гайкой, на наружную сторону которой нанесен зубчатый обод. Когда вращается винт, гайка поворачивается в одну или другую сторону и поворачивает рулевую сошку, а она уже направляет остальные компоненты рулевого привода.

В усовершенствованных моделях на винт ставится шариковая шайба, которая служит промежуточным элементом между ним и гайкой. При вращении винта шарики сдвигают шайбу, а она поворачивает гайку. Когда на легковые автомобили начали массово устанавливать гидроусилитель руля (ГУР), червячный редуктор вышел из обихода – к нему ГУР не поставишь. На его место пришел реечный привод, а винтовой «перекочевал» на тяжелые автомобили.

Кроме редуктора, в рулевом механизме могут отличаться типы передачи усилия на управляемые колёса. Более простой считается конструкция с реечным редуктором: от рулевой рейки отходят две рулевые тяги, которые крепятся к поворотным кулакам колес. Для того, чтобы соединение было подвижным, но без люфтов, используются шаровые наконечники.

На редуктор с червячной или винтовой передачей подходит другой тип рулевого механизма. Его называют рулевой трапецией и состоит он из довольно сложной системы рычагов. Сложность конструкции оправдывается большей мощностью, так что рулевая трапеция с винтовым редуктором ставится на грузовые автомобили, в то время как рулевая рейка лучше подходит для легковых.

И, наконец, систему рулевого управления классифицируют по типу усилителя: ГУР, ЭГУР и ЭУР.

  1. ГУР – гидравлический усилитель, классический тип. Он и сегодня ставится на автомобили, но постепенно уступает дорогу более современным видам усилителя;
  2. ЭГУР – электрогидравлический усилитель руля. В нём электромотор выполняет вспомогательную функцию, в то время как основная работа выполняется гидравликой;
  3. ЭУР – электроусилитель, современный способ управлять автомобилем. Электромотор умножает усилие, которое водитель прикладывает к рулю, то есть работает без каких-либо гидравлических элементов.

Современная конструкция рулевой трапеции

Рулевая трапеция в современном виде состоит из рулевого привода в виде механизма редуктора червячного типа, рулевой сошки, левой и правой боковых рулевых тяг, средней тяги, маятникового рычага и левого и правого поворотных кулаков.

На конце каждой рулевой тяги имеется шарнир, позволяющий подвижным деталям рулевого привода свободно поворачиваться относительно кузова и друг друга в разных плоскостях.


Рулевой механизм в конструкции рулевого управления необходим для увеличения усилия, прилагаемого водителем к рулю  и передачи его на рулевой привод (рулевую трапецию).

Задача же рулевого привода передать это усилие на ведущие колеса автомобиля путем поворота их в левую или правую сторону в зависимости от действия  водителя.

Принцип работы ГУР

Если автомобиль находится без движения, двигается прямо, насос перекачивает вхолостую гидравлическое масло внутри системы. Когда рулевое колесо приходит в движение, начинает закручиваться торсион, а золотник поворачивается относительно гильзы распределения. Одновременно открываются соединительные шланги, по которым масло из бачка попадает в определенную камеру в силовом цилиндре (это зависит от того, в какую сторону маневрирует автомобиль под действием поворота руля). А из другой камеры одновременно по открытым протокам гидравлическое масло попадает в бачок. Поршень цилиндра перемещает рулевую рейку, с одновременной передачей усилия рулевым тягам, поворачивающим колёса.

Если авто маневрирует на невысокой скорости, то КПД гидроусилителя руля максимален. Это достигается возрастанием количества оборотов электродвигателя насоса. Увеличение его производительности способствует интенсивному притоку гидравлической жидкости в цилиндр и сила, прикладываемая к повороту руля, уменьшается в разы. Повышение скорости движения машины снижает частоту вращения электродвигателя, при этом в действие вступает электромагнитный клапан, который уменьшает проходимость каналов гидросистемы, а для поворота руля приходится прикладывать больше усилий.

Устройство гидроусилителя руля

Основные компоненты гидроусилителя руля

Гидроусилитель руля устанавливается на рулевой механизм любого типа. Для легковых автомобилей наибольшее распространение получил реечный механизм. В этом случае схема ГУР следующая:

  • бачок для рабочей жидкости;
  • масляный насос;
  • золотниковый распределитель;
  • гидроцилиндр;
  • соединительные шланги.

Бачок ГУР

Бачок гидроусилителя

В бачке или резервуаре для рабочей жидкости установлен фильтрующий элемент и щуп для контроля за уровнем масла. С помощью масла смазываются трущиеся пары механизмов и передается усилие от насоса к гидроцилиндру. Фильтром от грязи и металлической стружки, возникающей в процессе эксплуатации, в бачке служит сетка.

Уровень жидкости внутри бака можно проверить визуально в случае, когда резервуар сделан из полупрозрачного пластика. Если пластик непрозрачный или используется металлический бачок, уровень жидкости проверяется с помощью щупа.

В некоторых автомобилях уровень жидкости можно проверить только после кратковременной работы двигателя либо при вращении рулевого колеса несколько раз в разные стороны во время работы машины на холостом ходу.

На щупах или резервуарах сделаны специальные насечки, как для «холодного» двигателя, так и для «горячего», уже работающего в течение какого-то времени. Также необходимый уровень жидкости можно определить и с помощью отметок «Max» и «Min».

Насос гидроусилителя

Лопастной насос гидроусилителя

Насос гидроусилителя необходим для того, чтобы в системе поддерживалось нужное давление, а также происходила циркуляция масла. Насос устанавливается на блоке цилиндров двигателя и приводится в действие от шкива коленчатого вала при помощи приводного ремня.

Конструктивно насос может быть разных типов. Наиболее распространенными являются лопастные насосы, которые характеризуются высоким КПД и износоустойчивостью. Устройство выполнено в металлическом корпусе с вращающимся внутри него ротором с лопастями.

В процессе вращения лопасти захватывают рабочую жидкость и под давлением подают ее в распределитель и далее в гидроцилиндр.

Привод насоса осуществляется от шкива коленчатого вала, поэтому его производительность и давление зависят от количества оборотов двигателя. Для поддержания необходимого давления в ГУР используется специальный клапан. Давление, которое создает насос в системе, может достигать до 100-150 бар.

В зависимости от типа управления масляные насосы подразделяются на регулируемые и нерегулируемые:

  • регулируемые насосы поддерживают постоянное давление за счет изменения производительной части насоса;
  • постоянное давление в нерегулируемых насосах поддерживает редукционный клапан.

Редукционный клапан представляет собой пневматический или гидравлический дроссель, действующий автоматически и контролирующий уровень давления масла.

Распределитель ГУР

Схематичное устройство распределителя

Распределитель гидроусилителя устанавливается на рулевом валу или на элементах рулевого привода. Его назначение – направление потоков рабочей жидкости в соответствующую полость гидроцилиндра или обратно в бачок.

Главными элементами распределителя являются торсион, поворотный золотник и вал распределителя. Торсион представляет собой тонкий пружинистый металлический стержень, который закручивается под действием крутящего момента. Золотник и вал распределителя представляют собой две цилиндрические детали с каналами для жидкости, вставленные друг в друга. Золотник связан с шестерней рулевого механизма, а вал распределителя с карданным валом рулевой колонки, то есть с рулем. Торсион одним концом закреплен на валу распределителя, другой его конец установлен в поворотный золотник.

Распределитель может быть осевым, при котором золотник перемещается поступательно, и роторным – здесь золотник вращается.

Гидроцилиндр и соединительные шланги

Гидроцилиндр встроен в рейку и состоит из поршня и штока, перемещающего рейку под действием давления жидкости.

Схема циркуляции жидкости в гидроусилителе

Соединительные шланги высокого давления обеспечивают циркуляцию масла между распределителем, гидроцилиндром и насосом.  Масло из бачка в насос и из распределителя обратно в бачок поступает по шлангам низкого давления.


С этим читают