Поворотный кулак

Поворотный кулак — это деталь подвески колёс транспортного средства, обеспечивающая возможность поворота управляемых колёс и одновременно передающая на них усилия от подвески и тормозной системы. Поворотный кулак является связующим звеном между ступицей колеса, рычагами подвески, рулевой трапецией и амортизатором (или стойкой). В зависимости от конструкции автомобиля он может быть выполнен как единая деталь или как сборный узел.

Назначение и функции

Основная функция поворотного кулака — обеспечение кинематической связи между неподвижными элементами подвески (например, рычагами или поперечиной) и вращающейся ступицей колеса, а также передача управляющего воздействия от рулевого механизма. При повороте рулевого колеса усилие через рулевые тяги передаётся на поворотные кулаки, которые, вращаясь вокруг шкворней или шаровых опор, изменяют угол наклона плоскости вращения колёс.

Кроме того, поворотный кулак воспринимает и передаёт на кузов или раму автомобиля вертикальные, продольные и поперечные силы, возникающие при движении (вес автомобиля, силы инерции, реакции дороги). На него также устанавливаются элементы тормозной системы — суппорт или тормозной барабан, а в некоторых конструкциях — датчики системы ABS (антиблокировочной системы тормозов) и ступичные подшипники.

Конструкция

Конструкция поворотного кулака зависит от типа подвески (зависимая или независимая), привода (передний, задний или полный) и расположения рулевого механизма. В общем случае деталь представляет собой литую или кованую деталь сложной формы, обычно изготавливаемую из высокопрочного чугуна (реже — из стали или алюминиевых сплавов).

Основные конструктивные элементы поворотного кулака:

• Корпус — центральная массивная часть, в которой расположены отверстия и посадочные места.
• Поворотная цапфа (или шкворневая часть) — участок, соединяющийся с элементами подвески и рулевого управления. В независимых подвесках на этом участке располагаются проушины для крепления шаровых опор (верхней и нижней). В подвесках на продольных или поперечных рессорах (зависимая подвеска) цапфа может иметь отверстие для шкворня.
• Ступичная часть — цилиндрический или конический выступ, на который напрессовывается ступичный подшипник (или два подшипника) и крепится ступица колеса. В современных конструкциях ступичная часть часто объединена со ступичным подшипниковым узлом.
• Кронштейн суппорта — площадка с отверстиями для крепления тормозного суппорта (в дисковых тормозах) или фланец для крепления тормозного щита (в барабанных тормозах).
• Отверстия для рулевых тяг — обычно два отверстия (или один) для крепления наконечников рулевых тяг. В некоторых конструкциях рулевая тяга крепится непосредственно к поворотному кулаку, в других — к рычагу, являющемуся частью кулака.
• Отверстия для крепления датчиков — например, датчика частоты вращения колеса (ABS).

Классификация

Поворотные кулаки классифицируются по нескольким признакам.

По типу подвески

• Для независимых подвесок (типа MacPherson, двухрычажной, многорычажной). В таких конструкциях поворотный кулак обычно имеет две проушины для шаровых опор (верхнюю и нижнюю) или одну — для нижней шаровой опоры и крепление к амортизаторной стойке (в подвеске MacPherson).
• Для зависимых подвесок (на продольных или поперечных рессорах, на балансирах). В этом случае поворотный кулак крепится к балке моста через шкворень или шарнир. Такая конструкция характерна для грузовых автомобилей, внедорожников и некоторых старых легковых моделей.

По расположению

• Передние (управляемые) — устанавливаются на передней оси, обеспечивают поворот колёс. Имеют отверстия для крепления рулевых тяг.
• Задние (неуправляемые) — устанавливаются на задней оси, не участвуют в повороте. Встречаются реже, обычно на автомобилях с задней независимой подвеской (например, на некоторых моделях Audi, BMW). В этом случае они выполняют только функцию связи ступицы с рычагами подвески.

По материалу

• Чугунные — наиболее распространены. Чугун (обычно высокопрочный с шаровидным графитом) обладает хорошей износостойкостью, демпфирующими свойствами и относительно невысокой стоимостью. Недостаток — большой вес.
• Стальные — применяются в тяжёлых грузовых автомобилях и внедорожниках, где требуется повышенная прочность. Изготавливаются ковкой или штамповкой.
• Алюминиевые — используются в спортивных и дорогих легковых автомобилях для снижения неподрессоренных масс. Алюминиевые кулаки легче чугунных, но менее прочны и дороже в производстве.

История развития

В первых автомобилях с зависимой подвеской поворотный кулак представлял собой простую литую деталь, вращавшуюся вокруг шкворня, запрессованного в балку моста. Рулевое управление осуществлялось через рулевые тяги, крепившиеся к рычагам кулака.

С появлением независимых подвесок в 1930-х годах (например, на автомобилях Citroën Traction Avant) конструкция поворотного кулака усложнилась: он стал соединяться с двумя поперечными рычагами через шаровые опоры. Это позволило улучшить управляемость и комфорт.

В 1970-х годах с распространением подвески типа MacPherson (названной в честь инженера Эрла Макферсона) поворотный кулак приобрёл современный вид: он стал крепиться к нижнему рычагу через шаровую опору, а к амортизаторной стойке — через верхнее крепление. Рулевая тяга при этом крепится к специальному рычагу, отлитому заодно с кулаком.

В конце XX века с развитием электронных систем стабилизации и ABS в конструкцию поворотного кулака стали интегрировать датчики и крепления для них. В современных автомобилях также появляются кулаки с интегрированными ступичными подшипниками, что снижает количество деталей и упрощает сборку.

Неисправности и диагностика

Поворотный кулак является высоконагруженной деталью, поэтому его повреждения могут привести к серьёзным последствиям, вплоть до потери управляемости.

Основные неисправности:

• Трещины и деформации — возникают в результате сильных ударов (наезд на препятствие, яму) или усталости металла. Трещина в кулаке требует немедленной замены, так как может привести к разрушению детали на ходу.
• Износ посадочных мест под подшипники — приводит к люфту ступицы, гулу и вибрации при движении. В некоторых случаях возможна замена ступичного подшипника, но при сильном износе кулак заменяется.
• Износ отверстий под шаровые опоры или шкворни — вызывает люфт в подвеске, ухудшение управляемости и неравномерный износ шин.
• Коррозия — особенно характерна для чугунных кулаков в регионах с агрессивной дорожной средой (использование реагентов). Сильная коррозия может ослабить конструкцию.

Диагностика состояния поворотного кулака проводится визуально (осмотр на наличие трещин, деформаций) и с помощью измерительных инструментов (проверка люфта, замеры посадочных диаметров). При появлении стуков в подвеске, вибрации на руле или неравномерного износа шин рекомендуется проверить состояние кулаков.

Применение

Поворотные кулаки используются на всех колёсных транспортных средствах, имеющих управляемые колёса: легковых и грузовых автомобилях, автобусах, тракторах, самоходных машинах, мотоциклах (в передней вилке) и велосипедах (в передней вилке). В некоторых типах подвесок, например, в мостах De Dion, поворотные кулаки также применяются, но их конструкция может отличаться.

В авиации поворотные кулаки используются на передних стойках шасси самолётов для обеспечения поворота колёс при рулении.

В культуре и техническом сленге

В среде автомехаников и водителей термин «поворотный кулак» часто сокращается до «кулак». В профессиональном жаргоне также встречаются названия «поворотная цапфа» (устаревшее) и «шкворневой кулак» (для зависимых подвесок). В ремонтной документации и каталогах запчастей деталь может обозначаться как «поворотный кулак в сборе» (включая ступицу, подшипники и иногда тормозной щит).

Источники

• Раймпель Й. «Шасси автомобиля: Конструкция подвесок». — М.: Машиностроение, 1989.
• Гришкевич А. И. «Автомобили: Конструкция, теория и расчёт». — М.: Высшая школа, 1987.
• «Устройство автомобиля» / Под ред. В. А. Кисликова. — М.: За рулём, 2010.
• Каталоги запасных частей и руководства по ремонту автомобилей различных марок (Bosch, TRW, Lemförder).