У автомобілі будь-якого типу важко назвати незначні вузли й деталі, бо всім відомо, що навіть перегоряння маленької лампочки бічного повторювача поворотів може стати причиною великих неприємностей. Проте чимало систем все-таки відносять до більш важливих хоча б тому, що без них пересуватися взагалі не вдається, або небезпечно. До таких належить рульове керування, одним з основних вузлів якого є кермова рейка. В неї не надто складна конструкція, особливо коли йдеться про механічну модель, але її вплив на безпеку руху важко переоцінити. Також від її надійної роботи залежить комфортність керування машиною.
Рульова рейка або, інакше кажучи, рейковий керівний механізм сприймає обертаючий момент від кермового колеса, що подається через вал колонки, перетворює коловий рух на зворотно-поступальний та передає його на кермові тяги й далі на колеса. Завдяки цьому можна змінювати напрямок руху автомобіля або підтримувати попередньо обраний. Сучасні моделі обладнані гідравлічними чи електричними підсилювачами. Ресурс даного вузла зазвичай складає 200-300 тис. км, хоча на шляхах з неякісним покриттям він може зменшитися до 100 тис. км. Кожен водій повинен знати його конструкцію та принцип роботи, бо неправильне обслуговування й експлуатація призводить до того, що рейки навіть сто тисяч не витримують.
Рейкова система керування
Типи рульових рейок
Сьогодні на автомобільному транспорті використовують кермові рейки трьох основних типів: механічні, гідравлічні та електричні. Принципова будова та хід роботи в них однаковий, головна різниця полягає у підсилювачах.
Механічна рейка
Механічні (іноді їх називають стандартними) рейки — це класика жанру. Вони з’явилися першими. Будова проста, недорога, надійна та з високою ремонтопридатністю. Ведучій вал-шестерня з похилими (в більшості випадків) зубцями заходить у зчеплення із зубчастою ділянкою рейки та передає на неї зусилля від кермової колонки. Під час повороту керма від пересуває рейку у ту ж саму сторону. До рейки (до кінців або посередині) кріпляться тяги з наконечниками, останні прикручені до поворотних цапф.
Будь-які підсилювачі відсутні, поворот виконується за рахунок м’язової сили водія. Інколи, особливо на великих машинах старих моделей, це робити не надто легко, що негативно впливає на керованість та маневреність техніки. Проте не виникає критичних складнощів у процесі роботи, а за якісного та своєчасного ТО вузол надійно працює довгий час.
Принципова будова механічної рейки
Система рульового керування з механічною рейкою складається з таких основних вузлів та деталей:
- Ведучій вал-шестерня з підшипниками на торцях. Зроблений із загартованої сталі. Розташований під кутом до рейки, передає на неї зусилля від кермової колонки. Шестерня зчеплена із зубчатою ділянкою рейки. Зубці її можуть бути прямими або косими. Працюють вони однаково, але перші вважаються застарілими та застосовуються все рідше, тому що, хоча вони простіші та дешевші у виготовленні, проте в них менший термін придатності. Крім того, система з косозубою шестернею більш надійна, бо вона не заклинює, а виконувати повороти з нею легше, що особливо важливо за відсутності підсилювача. Кількість зубців та діаметр валу розраховані так, щоб для переводу коліс із одного граничного положення у друге знадобилося б 2,5-4 оберти керма. В таких умовах на колесах забезпечується достатнє зусилля і в той же час присутній зворотний зв’язок, коли водій «відчуває» машину. Мається на увазі, що для повороту коліс на потрібний кут йому слід прикладати тим більше зусиль, чим складніші умови руху. Для безпеки між ведучою шестернею та кермовою колонкою може бути розташований складовий вал з карданами. Під час ДТП він складається, через що імпульс від фронтального удару не передається до салону.
- Рейка. Це горизонтальна штанга (пруток) із загартованої сталі зазвичай круглого перетину, на якій є ділянка із нарізаними зубцями. В них заходять зубці вала-шестерні. У торцях виконані отвори з різьбою для кермових тяг. Останні зроблені у вигляді металевих стрижнів з двосторонньою різьбою та шарніром. До тяг прилаштовані наконечники, у кожного з яких також є шарнір та внутрішня різьба. Іншим кінцем кожен наконечник кріпиться до колеса.
- Притискний механізм. Являє собою пружину, що з певним зусиллям притискає рейку до ведучої шестерні. Його необхідність пояснюється тим, що під час руху пара шестерня-рейка отримує значне навантаження, через що рейка намагається вийти із зачеплення. В той же час жорстка фіксація небажана через небезпеку заклинювання із втратою можливості керування. Невеликий люфт запобігає цьому, та ще й забезпечує зворотний зв’язок, коли водій отримує можливість «відчувати» шлях.
- Пильовики, сальники, зносостійкі втулки, підшипники. Вони захищають від потрапляння пилу та бруду, виключають втрату мастила, забезпечують легкий рух рейки та обертання деталей, не допускають люфтових коливань.
- Корпус. Для полегшення конструкції його зазвичай роблять із алюмінієвого сплаву, з ребрами жорсткості та монтажними отворами. Він досить міцний для того, щоб опиратися можливим ударам та поштовхам.
Класичні механічні рейки вважаються застарілими й на нових моделях авто майже не застосовуються.
Рейка з гідравлічним підсилювачем
Рейка з гідропідсилювачем (ГПК) відрізняється від механічної тим, що на ній, крім зубчатої ділянки, є відділ гідрокамери з поршнем посередині та сальниками по краям. Крім того, система має розподільник, що складається з торсіону та двох підшипників, пластинчатий насос і гідрошланги.
Рульова рейка з ГПК
Насос створює тиск оливи. Під час повороту керма торсіон спрямовує робочу рідину у відповідний контур таким чином, щоб вона потрапила до гідрокамери з потрібної сторони циліндру. Як наслідок, рейка рухається під дією двох сил:
- ведучого вала-шестерні, що обертається від кермової колонки та пересуває рейку через зубчате зчеплення;
- поршня, на який тисне олива та рухає його, а разом з ним і всю рейку, у тому ж напрямку, що й шестерня.
Рейки з ГПК полегшують керування автомобілем, внаслідок чого рух стає більш комфортним та безпечним. Але є в них і недоліки. Функціонування неможливе без спеціальної рідини, конструкція більш складна, отже дорожча, зокрема й у ремонті, та менш надійна: олива просочується крізь сальники на рейці чи в корпусі розподільника тощо. Крім того, частина потужності двигуна йде на забезпечення роботи насосу, ТО більш клопітке, а після вимикання двигуна ГПК взагалі не працює. Не зважаючи на перелічені мінуси, плюсів все-таки набагато більше, тому ГПК наразі є найбільш поширеною системою.
Рейка з електричним підсилювачем
Ця конструкція з’явилася відносно недавно, однак вже встигла себе показати з найкращого боку. Рейка з електропідсилювачем (ЕПК) схожа на систему з ГПК. Головна відмінність у тому, що замість насоса та шлангів з оливою тут застосовують електричний двигун та проводи. Відповідно, на рейці, крім зубчатої ділянки для зчеплення з ведучою шестернею, зроблена ще одна така сама для шестерні ЕПК. На кермі розташований датчик повороту, а в нижній частині кермової колонки в місці розташування пари ведуча шестерня – рейка поставлено датчик обертаючого моменту. На корпусі рейки змонтовано електронний блок керування (ЕБК) та електромотор — це головні елементи системи ЕПК. На вал електромотора жорстко посаджена шестерня, що входить у зчеплення з другою зубчатою ділянкою рейки.
Рейка з ЕПК працює наступним чином. Коли водій повертає кермо, обидва датчики сигналізують до ЕБК про напрямок та величину повороту. Після миттєвої обробки отриманих даних ЕБК віддає команду на електричний двигун. Останній вмикається й шестерня на його валу, зчеплена з другою ділянкою рейки, обертається та, як доводжувач, штовхає рейку в ту саму сторону, що й ведучий вал-шестерня на кермовій колонці.
ЕПК, що вмикається лише під час поворотів, вважається більш ефективним, ніж ГПК, в якому насос працює постійно. В нього високий ККД, він не відбирає частину потужності у двигуна, у систему не треба лити оливу. Як наслідок, немає протікання, спрощується обслуговування. Головний недолік ЕПК полягає в тому, що вона додатково навантажує бортову електронну систему автомобіля. Через обмеження по потужності цей тип рейок не застосовують на важких позашляховиках та вантажних автомобілях.
Рейка з електрогідропідсилювачем
Об’єднання ГПК й ЕПК в одну систему сталося внаслідок намагання позбутися недоліків, притаманих кожному з цих механізмів. Рейка з електрогідропідсилювачем (ЕГПК) схожа на систему з ГПК й працює аналогічно. В неї також є розподільник з торсіоном, бачок для оливи та шланги, а сама штанга з зубцями під ведучий вал-шестерню виконана разом з поршнем. Головна відмінність полягає в тому, що насос обертається під дією не ДВЗ автомобіля, а власного електромотора.
Насосний вузол ЕГПК — це своєрідний листковий пиріг. Унизу розташований електромотор, на ньому змонтовано гідравлічний насос із запобіжником, зверху поставлена керівна електронна плата, а на ній закріплений бачок розширювача (замість нього може бути пластикова колба з відводами під шланги). На деяких моделях бачок розміщують окремо від насосу. Також система може мати датчик обертального моменту.
Головна перевага ЕГПК полягає в тому, що вона не відбирає частину потужності ДВЗ. Але ускладнення конструкції підвищує вірогідність того, що система вийде з ладу, бо може зламатися як гідравлічна частина, так і електрична.
Змінний крок зубців
Рейкова система має суттєвий недолік, що виражається у поганому поєднанні комфорту керування та керованості машини. Щоб автомобілем було легко керувати, передавальне число повинно бути досить великим, а крок зубців — незначним. Тоді буде зручно керувати технікою, але, приміром, під час паркування за низької швидкості доведеться робити 3-4 повних оберти керма щоб «перекинути» колеса на іншу сторону. Коли ж передавальне число зменшити, то на високих швидкостях авто буде надто чутливо реагувати навіть на найменші рухи керма, а це вже досить-таки небезпечно.
Для вирішення проблеми на деяких моделях авто ставлять рейки зі змінним кроком зубців. На центральній частині зубчатої ділянки, яка зазвичай застосовується на великих швидкостях, крок невеликий, передавальне число більше і, отже, чутливість коліс до відхилення керма незначна. Можна рухатися швидко й не боятися нишпорення авто. На крайніх ділянках крок зубців збільшений, передавальне число зменшується, реакція машини на рухи керма більш «гостра». Отже, під час паркування не доведеться по 3-4 рази крутити кермо, щоб повернути колеса в іншу сторону.
Рейка зі змінним кроком зубців не вважається окремим типом, її можна ставити на будь-яку з перелічених вище систем керування.
