В автомобиле любого типа трудно назвать несущественные узлы и детали, потому что всем известно — даже перегоревшая лампочка бокового повторителя поворотов может оказаться причиной больших неприятностей. Однако немало систем все-таки считаются более важными, по сравнению с остальными, уже хотя бы потому, что без них ехать либо совсем нельзя, либо опасно. К таким относится рулевое управление, одним из главных узлов которого является рулевая рейка. У нее не очень сложная конструкция, особенно если рассматривать механические модели, однако ее влияние на безопасность движения трудно переоценить. Кроме того, от ее надежной работы во многом зависит комфортность управления автомобилем.
Рулевая рейка
Рулевая рейка или, говоря по-другому, реечный рулевой механизм воспринимает крутящий момент от рулевого колеса, который подается через вал колонки, преобразует круговое движение в возвратно-поступательное и передает его на рулевые тяги и далее на колеса. Благодаря этому появляется возможность изменять направление движения автомобиля или поддерживать ранее выбранное. Современные модели оборудованы гидравлическими либо электрическими усилителями. Ресурс данного узла, как правило, составляет 200-300 тыс. км, однако на дорогах с некачественным покрытием он может сократиться до 100 тыс. км. Каждый водитель должен знать его конструкцию и принцип работы, потому что неправильная эксплуатация и обслуживание могут стать причиной того, что рейка даже сто тысяч не выходит.
Типы рулевых реек
В настоящее время на автомобильном транспорте распространены рулевые рейки трех основных типов: механические, гидравлические и электрические. Принципиальное устройство и порядок действия у них одинаковый, главные различия заключаются в усилителях.
Механическая рейка
Механические (иногда их называют стандартными) рейки — это классика жанра. Они появились первыми. Конструкция простая, недорогая, надежная и с высокой ремонтопригодностью. Ведущий вал-шестерня с косыми (в большинстве случаев) зубцами входит в зацепление с зубчатым участком рейки и передает на нее усилие от рулевой колонки. При повороте руля он сдвигает рейку в ту же сторону. К рейке (к концам или к середине) крепятся тяги с наконечниками, последние прикручены к поворотным цапфам.
Пара ведущая шестерня — рейка
Какие-либо усилители отсутствуют, поворот выполняется за счет мускульной силы водителя. Иногда, особенно на крупных машинах старых моделей, это делать не слишком легко, что отрицательно сказывается на управляемости и маневренности техники. Зато не возникает критичных сложностей в работе, а при надлежащем ТО узел служит верой и правдой долгое время.
Система рулевого управления с механической рейкой состоит из следующих основных узлов и деталей:
- Ведущий вал-шестерня из закаленной стали с подшипниками на торцах. Стоит под углом к рейке, передает на нее усилие от рулевой колонки. Шестерня сцеплена с зубчатым участком рейки. Зубья шестерни могут быть прямыми или косыми. Принцип работы одинаковый, но первые считаются устаревшими и применяются все реже, потому что, хотя они проще и дешевле, однако служат меньше. Кроме того, система с косозубой шестерней более надежна (не заклинивает), а поворачивать с ней легче, это особенно актуально когда нет усилителя. Число зубцов и диаметр вала рассчитаны так, чтобы для поворота колес из одного крайнего положения в другое хватало бы 2,5-4 оборота руля. В таком случае на колесах обеспечивается достаточное усилие и в то же время присутствует обратная связь, когда водитель «чувствует» машину. Имеется в виду, что для поворота колес на нужный угол ему необходимо прилагать тем больше сил, чем сложнее условия движения. Для безопасности между ведущей шестерней и рулевой колонкой стоит карданный вал. При ДТП он складывается, из-за чего импульс от фронтального удара не передается в салон.
- Рейка. Это горизонтальная штанга (пруток) из закаленной стали обычно круглого сечения, на которой есть участок с нарезанными зубьями. В них входят зубья вала-шестерни. В торцах выполнены резьбовые отверстия для рулевых тяг. Последние сделаны в виде металлических стержней с двусторонней резьбой и шарниром. К тягам прикручены наконечники, у каждого из которых тоже есть шарнир и внутренняя резьба. Другим концом каждый наконечник крепится к колесу.
- Прижимной механизм. Представляет собой пружину, которая давит на рейку и с определенным усилием прижимает ее к ведущей шестерне. Его необходимость объясняется тем, что во время движения пара шестерня-рейка испытывает сильные нагрузки, из-за чего рейка стремится выйти из зацепления. В то же время жесткая фиксация не желательна, так как в этом случае возникает опасность заклинивания рейки с потерей управления. Небольшой люфт препятствует этому, плюс обеспечивает обратную связь, при которой водитель может «чувствовать» дорогу.
- Пыльники, сальники, износостойкие втулки, подшипники. Защищают от попадания пыли и грязи, исключают потерю смазки, обеспечивают легкое движение рейки и вращение деталей, не допускают люфтовых колебаний.
- Корпус. Для облегчения конструкции его обычно делают из сплава алюминия, с ребрами жесткости и монтажными отверстиями. Он достаточно прочный, чтобы противостоять возможным механическим воздействиям.
Классические механические рейки считаются устаревшими и на новых моделях авто применяются редко.
Рейка с гидравлическим усилителем
Рейка с гидроусилителем (ГУР) отличается от механической тем, что на ней, кроме зубчатого участка, есть отсек гидрокамеры с поршнем в середине и сальниками по краям. Кроме того, в систему добавлены распределитель, состоящий из торсиона и двух подшипников, пластинчатый насос и гидрошланги.
Рейка с ГУР
Насос создает давление масла. При повороте руля торсион направляет рабочую жидкость в соответствующий контур так, чтобы оно попало в гидрокамеру с нужной стороны цилиндра. В результате рейка двигается под действием двух сил:
- ведущего вала-шестерни, который вращается от рулевой колонки и перемещает рейку через зубчатое зацепление;
- поршня, на который давит масло и двигает его, а с ним и всю рейку, в том же направлении, что и шестерня.
Рейки с ГУР облегчают управление автомобилем, вследствие чего движение становится более комфортным и безопасным. Но есть и недостатки. Для работы нужна специальная жидкость, конструкция более сложная, значит, она дороже стоит, в т.ч. в ремонте, и менее надежная: подтекает масло через сальники на рейке или в корпусе распределителя и т.п. Кроме того, часть мощности мотора уходит на привод насоса, ТО более хлопотное, а при выключенном двигателе ГУР не работает. Тем не менее, гидравлические рейки сегодня самые распространенные.
Рейка с электрическим усилителем
Эта конструкция появилась относительно недавно, однако уже успела себя зарекомендовать с лучшей стороны. Рейка с электроусилителем (ЭУР) похожа на систему с ГУР. Главное отличие заключается в том, что вместо насоса и трубок с маслом здесь применяют электромотор с проводами. Соответственно, на рейке, кроме зубчатого участка для зацепления с ведущей шестерней есть еще один такой же для шестерни ЭУР. На руле стоит датчик поворота «баранки», а в нижней части рулевой колонки в месте расположения пары ведущая шестерня – рейка находится датчик крутящего момента. На корпусе рейки смонтированы электронный блок управления (ЭБУ) и электродвигатель — это основные элементы системы ЭУР. На вал электромотора жестко посажена шестеренка, которая входит в зацепление со вторым зубчатым участком рейки.
Рейка с ЭУР
Принцип действия следующий. Когда водитель поворачивает руль, оба датчика сигнализируют в ЭБУ о направлении и величине поворота. После мгновенной обработки полученных сведений ЭБУ отдает команду на электродвигатель. Последний включается и шестерня на его валу, зацепленная со вторым зубчатым участком рейки, вращается и, как доводчик, толкает рейку в ту же сторону, что и ведущий вал-шестерня на рулевой колонке.
ЭУР, который включается только во время поворотов «баранки», считается более эффективным, чем ГУР, где насос работает постоянно. У него высокий КПД, он не тянет на себя часть мощности двигателя, не надо лить масло в рулевую систему. Как следствие, не нужно бояться протечек, упрощается обслуживание. Главный минус в том, что бортовая сеть получает дополнительную нагрузку. Из-за ограничений по мощности данный тип реек не применяют на тяжелых внедорожниках и грузовиках.
Рейка с электрогидроусилителем
Объединение ГУР и ЭУР в одну систему произошло в результате попытки избавиться от недостатков, присущих каждому из этих механизмов. Рейка с электрогидроусилителем (ЭГУР) похожа на систему с ГУР и работает похожим образом. У нее также есть распределитель с торсионом, бачок для масла и шланги, а сама штанга с зубцами под ведущий вал-шестерню выполнена вместе с поршнем. Главное отличие в том, что привод осуществляется не от ДВС автомобиля, а от собственного электромотора.
Насосный узел ЭГУР — это своеобразный слоеный пирог. Внизу расположен электромотор, на нем смонтирован гидравлический насос с предохранителем, сверху поставлена управляющая плата, а над ней закреплен бачок расширителя (вместо него может быть колба из пластика с отводами под шланги). На некоторых моделях бачок располагают отдельно от насоса. Иногда в системе есть датчик крутящего момента.
ЭГУР хороша тем, что не забирает часть мощности ДВС. Но усложнение конструкции повышает вероятность выхода системы из строя, потому что может сломаться как гидравлическая часть, так и электрическая.
Рейка с ЭГУР
Переменный шаг зубьев
Реечная система управления имеет существенный недостаток, который выражается в плохом сочетании комфорта вождения и управляемости машины. Проявляется это в следующем. Для легкости управления передаточное число должно быть высоким, а шаг зубьев — небольшим. Тогда будет удобно управлять техникой, но, к примеру, на низкой скорости на парковке придется делать 3-4 полных оборота, чтобы «перекинуть» руль на другую сторону. Если же передаточное число понизить, то на высоких скоростях «лошадка» начнет чутко реагировать на малейшее движение «баранки», а это уже опасно.
Для решения проблемы на некоторых моделях авто ставят рейки с переменным шагом зубьев. На центральном участке, который обычно применяется на больших скоростях, шаг небольшой, передаточное число выше и, значит, чувствительность колес к отклонению руля незначительная. Можно быстро ехать без особой опаски. На крайних участках шаг зубьев увеличен, передаточное число уменьшается, реакция машины на движения руля более «острая». На парковке не придется по 3-4 раза поворачивать руль, чтобы вывернуть колеса в другую сторону.
Рейка с переменным шагом зубьев отдельным типом не считается, ее можно ставить на все перечисленные выше разновидности систем управления.
