Рулевая трапеция

Рулевая трапеция — это система рычагов и тяг, обеспечивающая кинематическую связь между рулевым механизмом (рулевой рейкой или рулевым сошкой) и поворотными кулаками колёс автомобиля. Основное назначение рулевой трапеции — преобразование вращательного движения рулевого колеса в угловое перемещение управляемых колёс, а также обеспечение согласованного поворота колёс с разными радиусами (согласно принципу Аккермана) для предотвращения бокового скольжения при движении по кривой.

История развития

Конструкция рулевой трапеции прошла несколько этапов эволюции параллельно с развитием автомобилестроения. На ранних автомобилях конца XIX — начала XX века рулевое управление было крайне примитивным: колёса поворачивались жёстко связанными между собой балками, что приводило к значительному износу шин и неустойчивости на поворотах. В 1817 году немецкий инженер Георг Ланкеншпергер впервые предложил систему, в которой шкворни поворотных кулаков располагались под углом к продольной оси автомобиля, что позволяло колёсам поворачиваться на разные углы. Эта идея была усовершенствована в 1900 году австрийским конструктором Рудольфом Аккерманом, который запатентовал геометрию рулевого привода, получившую название «принцип Аккермана». С тех пор рулевая трапеция стала обязательным элементом конструкции легковых автомобилей.

В 1920–1930-х годах с появлением переднего привода и независимой подвески конструкция трапеции усложнилась: появились разрезные рулевые тяги, шаровые шарниры и демпферы. Во второй половине XX века с внедрением реечного рулевого механизма (рулевая рейка) рулевая трапеция в классическом виде (с сошкой и маятниковым рычагом) стала постепенно вытесняться на легковых автомобилях. Однако на грузовиках, автобусах и внедорожниках с зависимой подвеской она сохраняется до сих пор.

Устройство и принцип работы

Рулевая трапеция состоит из следующих основных элементов:

• Рулевой механизм (рулевая рейка или рулевой редуктор с сошкой) — преобразует вращение рулевого вала в поступательное движение тяг.
• Продольная рулевая тяга (при наличии сошки) — соединяет сошку с маятниковым рычагом или с одной из поперечных тяг.
• Поперечные рулевые тяги — левая и правая, соединяют рулевой механизм (или маятниковый рычаг) с поворотными рычагами кулаков.
• Маятниковый рычаг (в классической схеме) — опорный элемент, закреплённый на раме или кузове, обеспечивающий поворот левой и правой тяг в противофазе.
• Поворотные рычаги — жёстко закреплены на поворотных кулаках, передают усилие от тяг на колёса.
• Шаровые шарниры (наконечники рулевых тяг) — обеспечивают подвижность соединений в нескольких плоскостях.
• Рулевой демпфер (амортизатор рулевого управления) — гасит колебания, передаваемые от колёс на рулевое колесо (особенно на внедорожниках и грузовиках).

Принцип работы: при повороте рулевого колеса рулевой механизм перемещает продольную или поперечную тягу. Через систему рычагов и тяг это движение передаётся на поворотные кулаки, которые поворачивают колёса. Геометрия трапеции спроектирована так, что внутреннее (по отношению к центру поворота) колесо поворачивается на больший угол, чем внешнее, что соответствует условиям качения без скольжения.

Классификация рулевых трапеций

Рулевые трапеции классифицируются по нескольким признакам.

По типу рулевого механизма

• Трапеция с рулевой рейкой — наиболее распространена на современных легковых автомобилях с передним приводом и независимой подвеской. Рейка непосредственно соединена с поперечными тягами через шаровые наконечники. Компактна, имеет малое количество шарниров.
• Трапеция с рулевым редуктором (сошкой) — используется на грузовых автомобилях, автобусах, внедорожниках с зависимой подвеской. Включает сошку, продольную тягу, маятниковый рычаг и две поперечные тяги. Более массивна, выдерживает большие нагрузки.

По расположению относительно балки моста

• Передняя трапеция — тяги расположены перед осью колёс (на большинстве легковых автомобилей).
• Задняя трапеция — тяги расположены за осью колёс (на некоторых грузовиках и старых моделях).

По количеству тяг

• Трёхтяжная — состоит из одной продольной и двух поперечных тяг (классическая схема с сошкой).
• Двухтяжная — две поперечные тяги, соединённые с рулевой рейкой (современная схема).
• Однотяжная — встречается редко, в основном на простейших колёсных шасси (например, на прицепах).

Геометрия рулевой трапеции

Геометрия рулевой трапеции рассчитывается таким образом, чтобы при повороте колёс выполнялось условие чистого качения: все колёса должны катиться по дугам, описанным из одного центра поворота. Для этого внутреннее колесо должно поворачиваться на угол, больший, чем внешнее. Разница углов зависит от колёсной базы и ширины колеи. В идеале геометрия трапеции должна быть настроена так, чтобы при любом угле поворота руля оси всех колёс пересекались в одной точке — центре поворота.

На практике точное соблюдение принципа Аккермана возможно только для одного угла поворота. Для компенсации погрешностей в конструкцию вводят регулируемые наконечники тяг, позволяющие изменять схождение колёс. Отклонение от оптимальной геометрии приводит к ускоренному износу шин, ухудшению управляемости и повышенному расходу топлива.

Применение

Рулевая трапеция применяется на всех колёсных транспортных средствах, имеющих управляемые колёса:

• Легковые автомобили — на подавляющем большинстве современных моделей используется реечная трапеция.
• Грузовые автомобили и автобусы — применяется трапеция с редуктором и сошкой, способная выдерживать большие нагрузки.
• Внедорожники и пикапы — часто оснащаются усиленной трапецией с демпфером.
• Сельскохозяйственная и строительная техника (тракторы, погрузчики) — используются как реечные, так и сошковые схемы.
• Прицепы и полуприцепы — простейшие однотяжные трапеции.

Неисправности и обслуживание

Основные неисправности рулевой трапеции связаны с износом шаровых шарниров (наконечников), люфтом в соединениях, деформацией тяг и коррозией. Признаками неисправности являются:

• стук или скрип при повороте руля;
• увеличенный люфт рулевого колеса;
• неравномерный износ шин;
• увод автомобиля в сторону при движении по прямой;
• вибрация на руле.

Обслуживание включает периодическую проверку затяжки резьбовых соединений, смазку шарниров (при наличии пресс-маслёнок) и регулировку схождения колёс. При обнаружении люфта или деформации детали подлежат замене. В современных автомобилях рулевые наконечники часто являются необслуживаемыми и заменяются целиком.

Интересные факты

• В гоночных автомобилях рулевая трапеция может иметь регулируемую геометрию, позволяющую изменять угол поворота колёс в зависимости от скорости и трассы.
• На некоторых полноприводных внедорожниках применяется рулевая трапеция с гидроусилителем, встроенным непосредственно в тяги.
• В автомобилях с электромеханическим усилителем руля (ЭУР) рулевая трапеция может быть дополнена датчиками угла поворота и момента, интегрированными в систему курсовой устойчивости.

Источники

• Раймпель Й. Шасси автомобиля. Рулевое управление. — М.: Машиностроение, 1987.
• Гришкевич А. И. Автомобили: Теория. — М.: Высшая школа, 1991.
• ГОСТ Р 52302-2004. Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования.
• Bosch. Автомобильный справочник. — М.: За рулём, 2012.