Как сделать рулевую рейку короче

Обновлено: 07.07.2024

Управление автомобилем подразумевает изменение положения его колёс относительно дорожного полотна. Причём при криволинейном движении их взаимное расположение должно подчиняться определённым законам исходя из разных радиусов описываемых при повороте внешних и внутренних окружностей. Таким образом, узел контроля положения колёс должен автоматически обеспечивать их пространственное позиционирование. Реечное управление служит одним из способов практической реализации такой задачи.

Принцип работы

Рассмотрим, что такое рулевая рейка, устройство и принцип работы узла. Реечная конструкция — распространённый способ управления углом поворота колёс машины. Принцип работы рулевой рейки прост и заключается в передаче момента вращения руля через карданный и зубчатый вал на горизонтальный реечный механизм, поступательное движение которого через специальные наконечники с рычагами обеспечивает поворот колёс вокруг их мнимой оси (кастора).

Для реализации этой идеи используется реечно-зубчатое зацепление. Вне зависимости от того, каким автопроизводителем выпущена рулевая рейка, устройство и принцип её аналогичен для всех автомобилей. По сути, это соединённые между собой две шестерёнки, обод одной из которых распрямлён. Вторая шестерня — зубчатый валик — соединяется через приводной вал с рулём для передачи крутящего момента от водителя через рейку к колёсам. Такая конструкция совмещает в одном узле два важных преимущества:

Редукция усилия, требуемого для поворота руля.
Преобразование кругового движения в линейное.

Поступательное движение ограничено диапазоном сдвига колёс при поворотах, что заложено конструкцией авто. На большинстве машин перемещение рейки от левой до правой мёртвой точки требует от 2,5 до 4 полных оборота руля.

Для понимания связи между вращением руля и смещением колёс относительно оси движения существует понятие коэффициента передачи, численно равного соотношению углов их поворота (в градусах). Например, если полный оборот руля (360°) инициирует сдвиг колёс на 20°, то передаточное число 360°/20°=18. В общем случае для машин лёгкого и спортивного класса цифры, характеризующие коэффициент передачи, будут ниже, чем для более массивных автомобилей — автобусов и грузовиков.

Устройство рулевой рейки

Мы поняли, что это механизм для передачи на колёса поворотного усилия, прилагаемого водителем к рулю автомобиля. Ввиду простоты и удобства данная конструкция повсеместно используется для задания курса движения легковых машин, небольших грузовиков и SUV.

Схема конструкции отдельно от колёс в упрощённом виде представлена на картинке.

Как видно, рулевая рейка построена на взаимодействии зацепления зубьев с шестерёнчатым валиком. Стоит выделить 4 основных узла, из чего состоит рулевая рейка:

руль управления движением автомобиля;
вал для передачи крутящего момента на ведущую шестерню;
рейка, перемещающаяся линейно под воздействием зацепления;
рулевые наконечники, передающие поступательное движение через шарнир на поворотные рычаги колёс.

В зависимости от типа, механизм может быть оснащён устройствами для облегчения вращения руля — гидравлическим или электрическим усилителем. Кроме этого, конструкция обеспечивает смещение колёс под разными углами, что соответствует геометрии внешнего и внутреннего радиусов поворота, что видно из рисунка.

Каждый элемент реечной системы управления выполняет определённую функцию, которые стоит рассмотреть подробнее.

Рулевое колесо (или руль)

Руль автомобиля — это устройство для управления движением авто в заданном направлении. Он жёстко сцепляется через зубчатое посадочное место с валом рулевой колонки, которая передаёт усилия вращения на рейку.

На современные автомобильные рули также возложены дополнительные функции:

управления бортовыми системами с помощью встроенных кнопок (так называемые мультимедийные или мультирули);
снижение травматизма за счёт внедрения в центральную часть рулевого колеса подушки безопасности.

По требованиям техрегламента руль обязан быть жёстко зафиксирован на валу без люфта и свободного перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскости и по выносу.

Рулевой вал

Вращательное движение руля передаётся посредством вала, который может состоять из нескольких ориентированных разнонаправленно частей, что обусловливается геометрией конструкции авто.

Между собой они сопрягаются посредством карданных механизмов. Для соединения с рулём используется жёсткая схема.

Рулевая рейка

Перемещаемая горизонтально рейка (зелёного цвета на рисунке ниже) выполнена в виде единого жёсткого элемента с насечкой для зацепления с зубчатым валиком (сине-оранжевая часть), приводимым во вращательное движение синхронно с поворотом руля.

По обоим концам узла имеются гнёзда для шарнирного или резьбового соединения со специальными наконечниками, связанными с рычагами поворота колёс.

Рулевые тяги

Непосредственную передачу усилия на колёса осуществляют связанные со ступичным блоком тяги (на рисунке изображены голубым цветом).

В конструкции учитывается необходимость обеспечения разности углов поворота внутреннего и наружного колёс. Особенностью тяг является способность передавать как поступательные, так и вращательные движения.

Рулевой наконечник

Поскольку рейка закреплена таким образом, что может совершать только линейное смещение по горизонтали, а колёса изменяют своё положение в трёх плоскостях, для передачи на них поворотного усилия используются рулевые наконечники (на рисунке внизу окрашены в фиолетовый цвет).

Наконечники выполнены в виде шарниров с пальцами для резьбового соединения и регулировки длины с целью коррекции углов поворота.

Демпфер

Демпфер — это амортизатор двустороннего действия, устанавливаемый на рулевую рейку между тягами и корпусом. Он традиционно применяется на внедорожниках и заднеприводных автомобилях премиального класса. Демпфер повышает курсовую устойчивость авто, минимизирует биение руля при движении по неровным покрытиям, продлевает срок службы рейки.

Также существует демпфер рулевого вала, устанавливаемый на колонку автомобилей с ЭУР.

Виды рулевых реек

Работа простейшей червячно-реечной пары может быть реализована без привлечения дополнительных устройств, помогающих вращать рулевое колесо. Стремление облегчить усилия водителя привело к оснащению механизма специальными блоками, освобождающими от необходимости напрягаться для осуществления манёвра. По мере своего развития схема последовательно совершенствовалась, пройдя три ступени улучшений, и реализуется в следующих типах:

Механическая (ручной).
С гидроусилителем руля (ГУР).
С электрическим усилителем руля (ЭУР).

Поскольку на автомобильном рынке имеются машины, использующие все указанные варианты реечного управления, следует рассмотреть их подробнее.

Механическая рулевая рейка

Это самый простой вид конструкции, представляющий собой прямой привод крутящего момента от руля через согласующий карданный вал и зубчатый валик. Схематически механическая рулевая рейка представлена на рисунке.

Очевидными недостатками такого решения будут необходимость приложения значительного усилия к рулю (что может ограничивать круг лиц, способных управлять такой машиной) и передача неровностей дороги, ухабов, толчков и ударов на руки шофера, передаваемые на кузов авто вибрации.

Стремление уменьшить затраты сил водителя на управление движением привело к появлению гидравлических и электрических устройств, усиливающих крутящий момент.

Гидравлическая рулевая рейка

Самая распространённая схема с ГУР представлена на рисунке. Гидравлическая рулевая рейка работает по схеме, заключающейся в перемещении синхронно с поворотом руля водителя под воздействием перепада давления в жидкости поршня. Принцип работы рулевой рейки с гидроусилителем изображён на рисунке.

Связь зубчатого валика (pinion) с рейкой (rack) обычная, однако в месте его сопряжения с валом рулевой колонки (steering column), имеются специальные поворотные клапаны (rotary valve), регулирующие направление подачи жидкости (окрашена на схеме в оранжевый цвет) под давлением от насоса (from pump). При повороте, например, руля вправо, давление через клапан передаётся по нижней (по схеме) жидкостной магистрали (fluid line) в часть цилиндра справа от поршня. При этом он (piston), жёстко связанной с рейкой (rack), помогает ей перемещаться влево (по схеме) и выдавливает лишнюю жидкость, которая направляется поворотным клапаном в расширительный бачок (to reservoir). При вращении руля в другую сторону направление циркуляции масла изменяется на противоположное.

Устройство гидравлической рулевой рейки требует дополнительной установки на двигатель насоса ГУР, отбирающего определённую мощность с мотора. Кроме того, устройство рулевой рейки с гидроусилителем подразумевает работу ГУР только при запущенном двигателе, когда достигается номинальное давление гидравлической жидкости в замкнутом контуре.

Электрическая рулевая рейка

Электрическая рулевая рейка — это вариант облегчения прилагаемого водителем к рулю усилия с использованием электромотора, связанного червячным зацеплением с шестернёй, закреплённой на рулевом валу.

Принцип работы электрической рулевой рейки прост: контроллер двигателя синхронизирует направление его вращения с движениями рук шофера. Такое решение делает движение руля лёгким, почти не требующим усилий.

Однако простая червячно-шестерёнчатая пара имеет одну особенность, которая заключается в том, что передача крутящего момента возможна только в одном направлении — от червяка к ведомому ободу шестерни. В обратном порядке механизм блокируется. Поэтому использование простой шестерни не решает проблемы, и приходится усложнять червячную передачу, дополняя её планетарным узлом с тремя сателлитами для связи усилителя крутящего момента с приводом зубчатого вала.

На рисунке выше изображена электрическая рулевая рейка: устройство и принцип работы этого узла. Стрелками показано воздействие дополнительного усилия через червячную передачу и сателлиты на приводной вал перемещения. В случае отказа электромотора такая конструкция обеспечивает возможность ручного управления движением, что иллюстрирует рисунок внизу.

Так, если в червячном зацеплении возникли неполадки и оно блокируется, крутящий момент беспрепятственно передаётся напрямую от рук водителя через реечный механизм поворота к колёсам (показано голубыми стрелками). При этом потребуется лишь приложить больше сил ввиду выхода из строя электрического усилителя руля, однако управляемость автомобиля не пострадает.

Преимущества и недостатки

Использование зубчатого зацепления для перемещения рейки, управляющей поворотом колёс, имеет как плюсы, так и минусы. Их необходимо учитывать при выборе авто, поскольку надёжная управляемость — это важнейший принцип безопасности движения. Здесь многое зависит не только от того, какая рейка, устройство усиления какого типа используется и как реализовано. Немалую роль в надёжности механизма играет оригинальность узла. Именно по этой причине контрактные рейки гораздо надёжнее и долговечнее, чем новые дубликаты, выпущенные в странах третьего мира без контроля со стороны автопроизводителя.

Плюсы реечного рулевого механизма

При сравнении реечного варианта рулевого управления с другими следует принять во внимание ряд очевидных преимуществ:

Упомянутые соображения способствуют широкому внедрению и усовершенствованию различных вариантов реечного управления в автомобилестроении.

Минусы реечного рулевого механизма

Популярность использования этого технического решения на множестве автомобилей перевешивает недостатки, из которых можно перечислить следующие.

Для механических и гидравлических систем:

ускоренный износ элементов вследствие повышенной нагрузки, что является платой за простоту узла управления, состоящего из небольшого числа деталей;
чувствительность реечного механизма к качеству дорожного покрытия, особенно заметная на полноприводных внедорожниках при съезде на неподготовленную к передвижению местность, когда трудность управления резко возрастает;
восприимчивость к вибрациям, передающимся через рулевое колесо водителю;
утечки технологической жидкости.

Дополнительные устройства, использующие электроэнергию для питания усилителей руля, характеризуют следующие минусы:

более высокая цена;
необходимость специального оборудования для диагностики электронного блока управления;
сложность самостоятельного ремонта.

Какой бы ни была рулевая рейка, принцип действия механизма аналогичен, а все различия заключаются лишь в выборе схемы увеличения передаваемого водителем посредством поворота руля усилия.

Заключение

Реечный рулевой механизм с интегрированной системой гидроусилителя рулевого управления или, проще говоря, рейка с гидроусилителем – это то, ремонта чего надеется избежать хозяин любого подержанного автомобиля. Иногда при первых признаках неисправности вроде гудения насоса, стука рейки или подтекания жидкости машину и вовсе предпочитают продать, чтобы не связываться с дорогостоящим ремонтом. Если помните, мы уже описывали процесс замены рейки в сборе – но это самый простой вариант при условии неограниченного финансирования. Если же стоимость рейки становится причиной резкого выброса адреналина ввиду ее ценника, то прибегают к ее ремонту. Сегодня мы рассмотрим полный процесс ремонта рулевого механизма с гидроусилителем от момента попадания его в приемку (отдел приема) до момента передачи отремонтированного изделия заказчику, а попутно выясним, насколько это сложная операция, и почему она столь недешева.

Рейки с ГУР: как устроены и какими бывают

П о сути своей все реечные рулевые механизмы с гидроусилителем одинаковы. Однако при более подробном изучении можно выделить некоторые нюансы. Например, насечка зубьев на штоке рулевого механизма может быть прямой, под углом и с переменным шагом зубьев. Достоинства и недостатки каждого из вариантов в рамках этого материала рассматривать не будем.

Итак, принцип действия, как мы уже выяснили, один: шток перемещается во втулках, установленных в корпусе рулевого механизма, и уплотняется сальниками. Также существуют реечные механизмы с треугольным валом, как его называют мастера. Правда, одним и чуть ли не единственным из его достоинств можно назвать лишь возможность более раннего определения износа. В остальном он имеет только недостатки, самым существенным из которых является невозможность замены втулки и сальника штока без снятия поршня гидроусилителя (к этому мы еще вернемся ниже).

Шток рулевого механизма, независимо от исполнения, поджимается специальным упором, с помощью которого регулируется зазор в зацеплении. Вал ведущей шестерни рулевого механизма представляет собой единое целое с золотником. Золотник – это специальный перепускной клапан, который в зависимости от того, в какую сторону вы крутите руль, перенаправляет поток рабочей жидкости в полость справа или слева от поршня, смонтированного на штоке рулевого механизма, помогая тем самым вам во вращении руля. Поршень этот двигается внутри цилиндра, который является частью корпуса всего рулевого механизма.

Отдельно стоит упомянуть о вентиляции внутри рулевого механизма. Дело в том, что пыльники довольно плотно прижимаются к рулевым тягам и корпусу рулевого механизма, а потому при перемещении штока в одном из пыльников может создаться разрежение, что, в свою очередь, чревато ускоренным износом самого пыльника или, что еще хуже, подсосом пыли или грязи снаружи в корпус. Конструкторских решений данной проблемы существует три: вентиляционные каналы в штоке рулевого механизма, вентиляционные каналы в корпусе рулевого механизма, соединенные трубкой, и вентиляционные каналы в пыльниках, которые также соединены трубкой.

Последний подход, надо признать, самый ненадежный. Если трубку сорвет или повредится пыльник в месте подсоединения, рулевой механизм сразу же наполнится водой и грязью, что незамедлительно приведет вас туда, где побывали мы, чтобы создать данный материал.

Насосы ГУР

Прежде чем перейти к нюансам эксплуатации и поломок, стоит отдельно упомянуть один из наиболее дорогостоящих элементов ГУР – его насос. Существует два типа насосов, отличающихся по типу привода – с приводом от коленчатого вала двигателя и с приводом от электродвигателя. Сегодня мы рассматриваем насос в первом исполнении.

Устроен он довольно просто: две плиты, в которых вырезаны каналы забора и подачи рабочей жидкости, накрывают статорное кольцо с эллипсоидным профилем, внутри которого вращается ротор с лопатками.

Благодаря центробежной силе лопатки при вращении выдвигаются из своих пазов, в результате чего происходит забор жидкости. Продвигаясь далее по поверхности статора, лопатка перемещается внутрь паза и выталкивает жидкость под давлением в канал и далее в систему. Регулируется давление с помощью специального клапана.

Все это помещено в корпус, сверху которого установлен расширительный бачок, хотя зачастую он может быть смонтирован и отдельно от насоса.

С чего все начинается?

Начинается все, как правило, с жалоб клиента на стук или утечку рабочей жидкости. Другим, менее распространенным поводом обращения в сервис может быть резко потяжелевшее рулевое колесо и повышенный люфт руля. Ну а уже после обращения алгоритм действий вполне стандартен.

Прежде всего машина отправляется на подъемник, где проходит диагностика.

Опытный мастер без снятия определяет, рейка это или все же какой-то элемент ходовой части. Если причиной беспокойства все же является рейка, то ее демонтируют и отправляют в цех мойки и очистки.

В этом же цеху установлена пескоструйная машина, благодаря которой корпус рулевого механизма можно привести в почти идеальное состояние.

Почему почти? Потому что в идеальное состояние (можно сказать, первозданное) его могут привести в покрасочном цеху, если того пожелает заказчик.

Предварительно

Как только рулевой механизм оказывается в руках мастера, он устанавливает его на специальный диагностический стенд.

Установив, подсоединяет к нему шланги, по которым течет та же рабочая жидкость, что и на автомобиле (и которую, как мы помним, надо еще и изредка менять). Имитируя работу механизма на автомобиле, мастер проверяет его на наличие утечек, а также рабочее и максимальное давление в системе. По последним параметрам определяется техническое состояние золотникового клапана.

Диагностика и ремонт

Теперь рассмотрим все по порядку, от элемента к элементу, чтобы потом собрать для себя полную картину масштаба трагедии ремонта простого на первый взгляд механизма. Начнем с видимого: это корпус рулевого механизма и золотник.

На самом первом этапе, когда еще ничего не демонтировано, корпус можно только осмотреть и проверить на наличие явных дефектов или повреждений – например, трещин. Потом, когда механизм отправляют на разборку с целью восстановления и ремонта, проводят более детальную дефектовку корпуса. Она, в свою очередь, может выявить царапины на внутренней поверхности цилиндра.

Причиной царапин могут быть частички пыли, попавшие через порвавшийся или неплотно усаженный пыльник. Также пыли и грязи рулевой механизм может набрать через оборванную вентиляционную трубку, соединяющую пыльники.

Найденную трещину – небольшую и в не очень ответственном месте корпуса – может, еще и заварят, но если повреждение более существенное, то скорее всего вам посоветуют заменить корпус. Ну а царапины или коррозию на зеркале цилиндра удаляют шлифовкой.

Если корпус золотникового клапана является неотъемлемой частью корпуса рулевого механизма, то проверяют и его внутреннюю поверхность.

Часто на внутренней стороне контактной поверхности образовывается выборка (выемка), ведь уплотнительные кольца на золотнике все-таки тефлоновые. Из-за этой выборки золотник может подклинивать и, как следствие, руль будет вращаться с ощутимыми рывками – или же вовсе усилие при вращении вправо будет отличаться от усилия при вращении влево. Лечится этот недуг расточкой и гильзовкой: внутреннюю поверхность цилиндра растачивают до определенного диаметра и запрессовывают новую деталь из латуни с нужным внутренним диаметром и уже просверленными отверстиями под каналы.

Сам золотник тяжело привести в негодность, но вот его уплотнительные кольца могут наделать беды. На одном из фото видно, как кольцо расслоилось.

Тефлоновые кольца как элемент, в принципе, заменяются без проблем.

Однако от производителя к производителю конструкции могут быть разными, и золотник вместе со своим корпусом может быть отдельной деталью. Более того – отдельной неремонтируемой деталью. В этом случае возможна только замена в сборе.

Шток рейки – один из наиболее информативных элементов рулевого механизма в плане определения недугов без разборки.

Тут все логично и просто: если что-то случилось с зубьями – появится стук или закусывания, если разбилась втулка – тоже стук, износились сальники – утечка. Поэтому первое, что делает мастер, если рейка поступила с жалобой на стук – затягивает оную в тисках. Далее, вращая вал ведущей шестерни одной рукой, второй рукой через инструмент прикладывает к штоку усилие, как бы проворачивая его.

Таким образом определяют люфт в зубчатом зацеплении. В исправном рулевом механизме этого люфта быть не должно. В нашем случае люфт был, причем на всем ходе штока. Чтобы точнее понять, в чем дело, мастер подтянул регулировочную гайку упора штока, уменьшив тем самым зазор в зацеплении. Если при этом люфт пропал, значит можно еще покататься. На подопытном же механизме люфт пропал, но не на всем ходу. Из-за этого мастер посоветует отдать рейку в ремонт – однако владелец, конечно, может и отказаться, решив, что на данный момент это не очень критично.

Далее, выдвинув шток в крайнее правое положение, мастер проверил износ боковой втулки. Действо довольно простое: одной рукой берешься за корпус и прикладываешь большой палец к штоку, второй рукой пытаешься качать этот самый шток, а под приложенным пальцем при этом явно ощущается биение. Хотя быть его, разумеется, не должно. В таком случае необходимо извлекать из корпуса шток рулевой рейки вместе с сальниками, втулками и отправлять на ремонт.

У самого штока может быть несколько дефектов: износ зубьев, износ уплотнительного кольца поршня, износ рабочей поверхности штока или коррозия, а также износ боковой втулки.

В принципе все дефекты можно устранить, кроме чрезмерного износа зубьев или сколов на них. Кольца и втулки заменяются, при необходимости даже с поршнями.

При этом уменьшение диаметра вала после шлифовки не беда, так как существуют сальники ремонтных размеров.

После снятия штока проверяют и упор. Его контактная часть имеет пластиковую втулку, которая может износиться – тогда упор придется заменить. Бывает, что и сам упор ломается из-за подклинивания и перекоса.

Ну а теперь, как и обещали, поговорим о треугольных штоках. Их называют так, потому что с торца шток действительно треугольный – правда, только в зубчатой его части. Неудобство заключается в том, что один сальник со втулкой мы можем заменить без проблем, а вот второй сальник и втулку – никак, потому что сальник круглый.

Поэтому, чтобы выполнить столь простое действие, необходимо отдать шток в токарный цех: там аккуратно срежут поршень, заменят то, что нужно заменить, и так же аккуратно поставят поршень на место и обкаткой закрепят на штоке. Как и ожидалось, по закону Мерфи у нас в ремонтируемом ГУР именно треугольный шток.

Еще пару слов по сальникам: это расходный материал, потому на производстве его в избытке.

Уже было указано, что существуют сальники первого, а иногда и второго ремонтных размеров. Это хорошая новость для клиентов, так как восстановление вала все же дешевле его замены.

Еще один важный и интересный нюанс – взаимозаменяемость штоков. Иногда, если того требуют обстоятельства или возникает острая нужда, мастера прибегают к небольшим хитростям. Например, бывает так, что штоки есть в большом количестве только на праворульную модификацию очень популярной у нас модели. И если насечка зубьев на штоке прямая, то проблем со взаимозаменяемостью нет. Если же косая – пиши пропало и готовься к растратам.

Переходим к насосу гидроусилителя. Его неисправность можно определить еще на работающем автомобиле. Он может гудеть постоянно, при изменении числа оборотов или в крайнем положении рулевого колеса. Последнее – скорее не неисправность, а взывание к благоразумию, так как удерживание руля в данном положении более 20 секунд может быть чревато неприятными последствиями.

После демонтажа с автомобиля, не разбирая, насос можно проверить на специальном стенде, в который заложены изначально эталонные параметры технически исправных насосов.