С помощью рулевого устройства можно изменять направление движения судна или удерживать его на заданном курсе. В последнем случае задачей рулевого устройства является противодействие внешним силам, таким как ветер или течение, которые могут привести к отклонению судна от заданного курса. Рулевые устройства известны с момента возникновения первых плавучих средств. В древности рулевые устройства представляли собой большие распашные весла, укрепленные на корме, на одном борту или на обоих бортах судна. Во времена средневековья их стали заменять шарнирным рулем, который помещался на ахтерштевне в диаметральной плоскости судна. В таком виде он и сохранился до наших дней.
Типы рулей
а - обыкновенный руль; b -балансирный руль; с - полубалансирный руль (полуподвесной); d - балансирный руль (подвесной); е - полубалансирный руль (полуподвесной); f - активный руль; g - носовое подруливающее устройство (гребные винты противоположного вращения); h - носовое подруливающее устройство (реверсивный гребной винт)
В зависимости от принципа действия различают пассивные и активные рули. Пассивными называются рулевые устройства, позволяющие производить поворот судна только во время хода, точнее сказать, во время движения воды относительно корпуса судна. В отличие от него активный руль позволяет осуществлять поворот судна независимо от того, движется оно или стоит. Пассивное рулевое устройство состоит из штурвальной колонки с передачей, рулевой машины и пера руля. В старых конструкциях использовались однослойные рули. В настоящее время главным образом применяют профильные фигурные рули (рис. а). Не знаете, сколько стоит ремонт рулевого редуктора , - изучите наши прайс-листы уже сейчас Перо такого руля состоит из двух выпуклых наружных оболочек, имеющих с внутренней стороны ребра и вертикальные диафрагмы для повышения жесткости. В целом конструкция пера руля цельносварная и полая внутри. Существуют различные способы крепления руля. Его можно на шарнирах прикрепить к ахтерштевню (рис. а) или установить в подпятнике (рис. b). Другие способы закрепления показаны на рисунках с, е.
По положению пера руля относительно оси вращения баллера различают:
Обыкновенный руль - плоскость пера руля расположена за осью вращения;
Полубалансирный руль - только большая часть пера руля находится позади оси вращения, за счет чего возникает уменьшенный момент вращения при перекладке руля;
Балансирный руль - перо руля так расположено по обеим сторонам оси вращения, что при перекладке руля не возникают какие-либо значительные моменты.
Типы рулей
f - активный руль; g - носовое подруливающее устройство (гребные винты противоположного вращения); h - носовое подруливающее устройство (реверсивный гребной винт)
Пример рулевого устройства с активным рулем приведен на рисунке f. В перо руля встроен электродвигатель, приводящий во вращение гребной винт, который для защиты от повреждений помещен в насадку. За счет поворота пера руля вместе с гребным винтом на определенный угол возникает поперечный упор, обусловливающий поворот судна. Активный руль выполняет свои функции и тогда, когда судно стоит на якоре. Такой руль используется на специальных судах, таких как плавучие рыбозаводы, китобойные, ремонтные и вспомогательные. Кроме того, активный руль можно применять как аварийный двигатель. Рули, как правило, помещаются в корме судна. Только в особых случаях (например, на речных паромах или на судах для каналов) используют также носовые рули. Чем привлекательны vulkan официальный игровой бизнес запрещен на территории многих стран но Для повышения маневренности судна довольно часто применяют подруливающие устройства, относящиеся к группе активных рулей без пера. Носовые или кормовые подруливающие устройства устанавливают поперек судна в туннеле. В этом туннеле находятся также два гребных винта или ротор осевого насоса. При вращении одного гребного винта вода течет через туннель. За счет этого возникает упор, и корпус судна совершает движение. В подруливающих устройствах все чаще вместо двух гребных винтов или одного ротора осевого насоса используют гребные винты с переменным шагом. Как уже было указано, для того чтобы рулевая установка действовала, перо пассивного руля должно стоять под определенным углом. Баллер руля приводится во вращение рулевой машиной, установленной под палубой в корме судна. Существуют паровые, электрические и гидравлические рулевые машины.
Рулевое устройство с электрическим приводом
а - расположение рулевого устройства
1 - рулевая машина; 2 - рулевой штырь; 3 - полубалансирный руль; 4 - баллер руля
b - секторная рулевая передача с электрическим приводом
1 - ручной штурвальный привод (аварийный привод); 2 - румпель; 3 - редуктор; 4 - рулевой сектор; 5 - двигатель; 6 - пружина; 7 - баллер руля; 8 - профильный фигурный руль; 9 - сегмент червячного колеса и тормоза; 10 - червяк
На рис. b показана устаревшая конструкция электрической рулевой машины. Электродвигатель через редуктор приводит в движение рулевой сектор, который крепится на баллере руля. Две пружины, воспринимающие удары волн о перо руля, соединяют сектор руля с румпелем; последний в свою очередь через призматическую шпонку соединен с баллером руля, на котором помещен профильный руль. Если необходимо повернуть перо руля, нужно запустить мотор с определенной частотой вращения. При неисправности электрической рулевой машины руль приводится в движение с помощью управляемого вручную механизма, состоящего из штурвальной тумбы и штурвала. Путем поворота штурвала приводятся в движение червячное колесо и взаимодействующий с ним аварийный приводной сегмент, укрепленный непосредственно на баллере руля. Штурвальная тумба аварийной рулевой установки обычно монтируется в корме на верхней палубе судна. На современных судах, как правило, применяют гидравлические рулевые машины. При вращении рулевого колеса на мостике срабатывает датчик телемотора, Протекающее под давлением в трубопроводе масло вызывает перемещение приемника телемотора, за счет чего рулевой насос приводится в движение в соответствующем направлении.
Рулевое устройство с гидравлическим приводом
а - схема гидропривода рулевого устройства типа Атлас с телемоторами; b - поршень гидравлической рулевой машины
1 - подключение к бортовой сети; 2 - кабельные соединения; 3 - запасная канистра; 4 - рулевой насос; 5 - рулевая колонка с датчиком телемотора; 6 - индикаторный прибор; 7 - приемник телемоторов; 8 - двигатель; 9 - гидравлическая рулевая машина; 10 - баллер руля; 11 - датчик указателя положения руля
Основным узлом в любом транспортном средстве является рулевое управление. Для чего же нужно рулевое управление? За все время совершенствования конструкции системы, основной принцип работы рулевого управления остался прежним. Он заключается в преобразовании и передачи физического усилия водителя во время воздействия на руль автомобиля на колеса. Другими словами узел рулевого управления обеспечивает обратную связь, позволяя изменять траекторию движения транспортного средства.
Устройство рулевого управления
Из чего состоит рулевое управление автомобиля? Общее устройство конструкции этого узла на транспортных средствах представлена следующими элементами:
- колеса;
- рулевой привод;
- механизм рулевого управления;
- тяги и колонка.
Схема взаимодействия руля автомобиля с ведущей колесной парой не является сложной. Водитель через привод передает усилие на рулевой механизм, который обеспечивает поворот колес. Помимо этого, узел, обеспечивая обратную связь, предоставляет информацию о состоянии дорожного покрытия. Согласно вибрациям рулевого колеса максимально точно определяется тип движения, на основании чего происходит диагностика и корректируется управление машиной.
Средний диаметр руля легкового транспорта составляет примерно 400 мм. В грузовой и специальной технике руль несколько больше, а в спорткарах меньше.
Что входит в рулевое управление?
Между рулем и механизмом расположена рулевая колонка, которая представлена прочным валом с шарнирными соединениями. Особенностью конструкции колонки является минимальный риск получения травматизма водителя в случае ДТП, поскольку при сильном лобовом столкновении происходит ее схлопывание. Для комфортной эксплуатации транспортного средства, положение рулевой колонки настраивается при помощи механического либо электрического привода. Помимо этого, предусмотрена система блокировки механизма, которая позволяет предотвратить угон автомобиля.
Главное назначение рулевого управления заключается в увеличении механического усилия водителя и его передача на колеса. Для этого в конструкцию системы включен специальный редуктор. На легковых автомобилях в основном используют следующие типы рулевого управления:
- Реечный механизм, конструкция которого состоит из набора смонтированных на валу шестерней, агрегатируемых с рейкой, на одной из ее плоскостей по всей длине нанесены специальные зубцы. При вращении руля усилие через колонку передается рулевой рейке, в результате чего она свободно перемещается, взаимодействуя с рулевыми тягами и поворачивая колеса. Необходимо заметить, что рулевое управление автомобилем может иметь рейку, на которой располагаются зубья с переменным шагом. Такая конструкция значительно повышает эффективность управления транспортным средством.
- Червячный рулевой механизм. Его принцип функционирования следующий: «червяк» при взаимодействии с ведомой шестерней передает усилие сошке. В свою очередь, сошка рулевого управления взаимодействует с одной из тяг, конец которой заканчивается маятниковым рычагом. Этот рычаг смонтирован на опоре. При повороте руля сошка приводит в движение боковую тягу одновременно со средним рычагом, который взаимодействует со второй боковой тягой и изменяет ее положение. Благодаря этому осуществляется поворот ступиц управляемых колес.
Некоторые особенности работы рулевого управления автомобиля
Большинство современных моделей автомобильного транспорта имеют инновационную систему управления всеми четырьмя колесами. Благодаря этому значительно улучшается динамика движения транспортного средства на местности со сложным рельефом. Помимо этого, рулевое управление автомобиля адаптированное на все колеса позволяет добиться большей маневренности при скоростной езде. Это возможно благодаря повороту каждого из колес.
Примечательно, что в рулевом управлении подруливание колес может осуществляться системой в пассивном режиме. Это возможно благодаря наличию в конструкции задней части подвески специальных упругих резинометаллических деталей. При возникновении крена кузова за счет изменения величины и направления нагрузки осуществляется изменение направления движения. Рулевое управление с функцией подруливания задних колес позволяет эффективно распределить усилие для поворота всех колес. Помимо этого, такая система не позволяет осуществить поворот колес при активном состоянии подвески.
В конструкцию адаптивной системы подруливания входят шарниры и тяги. Шарнир имеет несколько элементов в своем составе, для удобства использования его конструкция представлена в виде снимающегося наконечника. Кинематическую схему рулевого управления автомобиля удобнее всего представить в идее прямоугольника, на каждой из сторон которого находятся:
- плечи;
- угол схождения;
- развал;
- продольный и поперечный наклон.
Плечи, продольный и поперечный наклон обеспечивают стабилизацию движения, в то время как остальные параметры находятся в постоянном противодействии. Поэтому еще одной задачей рулевого управления является стабилизация всех возникающих в процессе движения сил.
Роль усилителя в системе рулевого управления
Этот элемент помимо того, что позволяет снизить усилие прикладываемое водителем к рулевому колесу, позволяет значительно увеличить точность управления автомобилем. Благодаря наличию усилителя в конструкции рулевого управления появилась возможность использовать в системе элементы, обладающие небольшой величиной придаточного числа. Усилители системы управления делятся на три типа:
- Электрический.
- Пневматический.
- Гидравлический.
Однако большее распространение получил последний тип. Гидравлика отличается надежностью конструкции и плавностью работы, но требует технического обслуживания по замени жидкости. Электроусилитель рулевого управления встречается реже, но все же большинство моделей современной автомобильной техники укомплектовано именно им. Усиление в нем обеспечивает электрический привод. Заметим, что электронное управление отличается наличием расширенного ряда возможностей, но изредка требует проверки и регулировки.
Что такое автоматическое рулевое управление?
Одной из перспективных разработок в автомобилестроении является интеллектуальная система автоматического управления транспортными средствами. Можно сказать, что автопилот, описанный большинством писателей-фантастов в своих произведениях, теперь стал реальностью. Сегодня современной автомобильной технике по силам выполнение большинства действий без участия водителя, самым распространенным из которых является парковка.
Лидером по производству автомобилей оборудованных этой инновационной системой является немецкий концерн BMW, который активно использует на своем модельном ряде сдвоенный планетарный редуктор. Управление таким редуктором осуществляется при помощи электропривода, в результате чего удается совместно с изменением скорости транспортного средства изменять придаточное отношение при передаче усилия от руля к поворотным колесам. Благодаря такому техническому решению значительно повышается быстродействие, и обеспечивается максимально точная обратная связь.
Общее устройство и принцип работы системы рулевого управления автомобиля, как и многих других современных транспортных средств, можно описать следующим образом. Рулевое управление имеет рулевые тяги, рулевой механизм с реечной или червячной передачей и рулевую колонку, оканчивающуюся рулевым колесом. Функционирует система довольно просто: при воздействии на руль усилие через рулевой механизм передается на рулевые тяги, которые шарнирно связаны с рычагами подвески, что приводит к изменению траектории движения авто. Кроме того, рулевое колесо информирует водителя о состоянии дорожного покрытия, определяемое по величине усилия, приложенных к рулю. Если не брать во внимание размер рулевого колеса у спорткаров, диаметр руля для большинства автомобилей находится в пределах 38-42,5 см.
Рулевое колесо соединяется с рулевым механизмом посредством травмобезопасной рулевой колонки, которая имеет несколько карданных соединений. Травмобезопасность заключается в том, что при лобовом столкновении на большой скорости она (колонка) складывается, снижая таким образом степень тяжести нанесенных водителю травм. Современные автомобили снабжены электрической или механической регулировкой адаптации рулевой колонки под рост водителя. Изменение осуществляется как в вертикальном направлении, так и по длине, либо в двух направлениях. Также предусмотрена противоугонная защита путем блокирования рулевой колонки электрическим или механическим способом.
Рулевой механизм выполняет роль множителя усилий, приложенных водителем к рулевому колесу с последующим распространением нагрузки на рулевой привод. Самым применяемым типом редуктора рулевого механизма в автомобилях является червячная и реечная его конструкции, причем первый вариант чаще использовался в автомобилях прошлого столетия. Реечный вариант представляет собой цилиндрическую шестерню, составляющую одно целое с валом и перемещающуюся по зубчатой рейке, которая шарнирно связана с рулевыми тягами. При изменении положения руля на определенный угол рейка совершает движение в горизонтальной плоскости и через тяги поворачивает колеса. Пара шестерня-рейка находится в корпусе редуктора, который расположен в подрамнике подвески.
Некоторые автомобили снабжены рулевым механизмом с переменным передаточным отношением, где применена зубчатая рейка с различным профилем зубьев: в околонулевой зоне зубья имеют форму треугольника, а ближе к краям – вид трапеции. Конструкция рейки с различной геометрией зубьев способствует изменению передаточного числа в паре шестерня-рейка, уменьшая угол поворота рулевого колеса. Благодаря этой схеме управлять автомобилем намного удобнее, динамичнее, и требуется меньше усилий, прилагаемых к рулевому колесу.
Отдельные производители авто используют на автомобилях рулевые механизмы с управлением на четыре колеса. Конструкция позволяет добиться более эффективного управления и обеспечивает стабильность машины при движении на высокой скорости. Благодаря такому техническому решению передние и задние колеса авто получили синхронизацию при повороте в ту или иную сторону. Кроме того, улучшилась маневренность в случае, когда автомобиль движется с малой скоростью: передние и задние колеса могут быть повернуты в разном направлении. Это достигается за счет того, что при большой скорости автомобиля сайлентблоки, установленные на задней подвеске, под воздействием сил во время поворота авто деформируются, не давая колесам существенно изменить угол поворота.
Рулевой привод представляет собой шарнирно-рычажную конструкцию, посредством которой усилия, прилагаемые к рулю, передаются напрямую колесам, обеспечивая при этом устойчивость автомобиля при повороте. Кроме этого, конструкция удерживает колеса при работе подвески, тип которой зависит от устройства рулевого привода.
Наиболее популярна механическая конструкция рулевого привода, включающая в себя рулевые тяги и шаровые опоры (рулевые шарниры). В свою очередь, шаровой шарнир, защищенный от износа вкладышами, находится в корпусе с закрытым резиновым пыльником, который препятствует проникновению пыли и грязи в шарнирное соединение. Шаровой шарнир изготовлен как одно целое с шаровым пальцем, который служит наконечником для рулевых тяг и составляет с ними дополнительный рычаг подвески.
Для регулировки рулевого управления существует несколько параметров, влияющих на устойчивость автомобиля во время движения, и на усилие, прилагаемое к рулю. Четыре наиболее важных из них касаются угловых регулировок: развал, схождение, угол продольного и поперечного наклона поворотной ступицы колеса, а также две регулировки плеча (стабилизация и обкатка). Стоит заметить, что все регулировки связаны между собой и оказывают важное влияние на работу всего рулевого управления.
Современные автомобили уже не обходятся без усилителя рулевого управления, которое значительно уменьшает усилие, приложенное к рулю, позволяет точно и быстро реагировать на окружающую обстановку при движении. Благодаря усилителю руля водитель меньше утомляется, да и передаточное число шестерен в редукторе можно уменьшить, что делает его более компактным. По своему типу привод усилителя делится на электрический, гидравлический или пневматический. Последний больше относится к автомобилям грузового класса.
В большинстве своем автомобили нынешнего поколения снабжены гидравлическим усилителем рулевого управления, называемым для простоты «гидроусилитель руля». Кроме этого, существует его вариант – электрогидравлический усилитель, в котором жидкость нагнетается насосом с приводом от электродвигателя. Однако прогрессивным считается применяемый сегодня электрический усилитель руля, в котором крутящий момент вала электродвигателя подается непосредственно на карданный вал рулевого колеса или прямо на рулевой редуктор. А использование электроники делает возможным применение электроусилителя при парковке в автоматическом режиме или в системе, которая помогает удерживать автомобиль на полосе движения.
Инновационным усилителем руля можно считать адаптивный усилитель рулевого управления, благодаря которому усилие, прилагаемое при повороте колеса, зависит от скорости движения. Как пример подобной конструкции можно привести известный адаптивный гидравлический усилитель Servotronic. К новинке можно отнести и систему активного рулевого управления BMW, а также систему динамического рулевого управления от Audi, в котором передаточное число редуктора рулевого механизма зависит от скорости движения автомобиля.