Устройство, виды и принцип работы рулевой рейки

Двигатель является сердцем автомобиля, но именно рулевая система определяет, куда он поедет. Поэтому каждый водитель должен хотя бы в общих чертах понимать, как устроена рулевая рейка его машины и каково ее назначение.

От весла к рейке – эволюция рулевого механизма

В древние времена, когда человек только начал осваивать землю и воду, но колесо еще не стало основой его мобильности, основным средством перемещения грузов на большие (превышающие дневной переход) расстояния стали плоты и лодки. Эти средства передвижения держались на воде, двигаясь за счет различных сил, а для управления ими использовали первое рулевое приспособление – опущенное в воду весло, которое находится в задней части плота или лодки. Эффективность такого механизма была чуть выше нулевой, а для направления плавсредства в нужную сторону требовались значительные физическая сила и выносливость.

По мере роста размеров и водоизмещения кораблей работа с рулевым веслом требовала все больше физических сил, поэтому на смену ему пришел штурвал, который поворачивал перо руля через систему шкивов, то есть был первым рулевым механизмом в истории. Изобретение и распространение колеса привело к развитию сухопутного транспорта, но, его основной движущей силой были животные (лошади или быки), поэтому вместо механизма управления использовали обучение, то есть на какое-то действие возницы животные поворачивали в нужную сторону.

Изобретение паровой установки и двигателя внутреннего сгорания позволило избавиться от тягового скота и действительно механизировать сухопутные транспортные средства, после чего сразу же пришлось изобретать для них рулевую систему, которая работает по другому принципу. Первоначально использовали максимально простые устройства, из-за чего управление первыми авто требовало огромной физической силы, затем постепенно перешли на различные редукторы, которые повышали мощность поворотного усилия на колесах, но вынуждали более интенсивно крутить руль.

Еще одна проблема рулевого механизма, которую пришлось преодолевать, связана с необходимостью поворота колес на разный угол. Траектория движения колеса, расположенного с внутренней, по отношению к повороту стороны, проходит по меньшему радиусу, а значит, поворачивать его нужно сильней, чем колесо с наружной стороны. На первых автомобилях этого не было, из-за чего передние колеса изнашивались гораздо быстрей задних. Затем появилось понимание угла схождения, причем, его удалось обеспечить, используя принцип изначального отклонения колес друг от друга. Во время езды по прямой это почти не влияет на резину, а на поворотах повышает устойчивость и управляемость автомобиля, а также снижает износ протектора покрышек.

Общая компоновка

Вот основные детали, которые составляют основу схемы устройства рулевой рейки:

• ведущая шестерня;
• рейка;
• упор (прижимной механизм);
• корпус;
• сальники, втулки и пыльники.

Рулевая рейка в разрезе

Такая схема присуща рейкам любых автомобилей. Поэтому ответ на вопрос «как устроена рулевая рейка» всегда начинается именно с этого списка, ведь он показывает общую структуру агрегата. Кроме того, в интернете выложено множество фото и видео, показывающих как внешний вид блока, так и его внутренности, вошедшие в список.

Ведущая шестерня

Эта деталь представляет собой вал с нарезанными на нем косыми или прямыми зубьями, оснащенный с обоих торцов подшипниками. Такая конфигурация обеспечивает постоянное положение относительно корпуса и рейки при любом положении руля. Вал с косыми зубцами находится под углом к рейке, благодаря чему они четко входят в зацепление с прямыми зубцами на рейке, вал с прямыми зубцами устанавливали на машины 80-х – 90-х годов прошлого века, такая деталь проще в изготовлении, но срок ее службы заметно меньше. Несмотря на то, что принцип работы прямозубого и косозубого редукторов одинаков, последний более надежен и не склонен к заклиниванию, благодаря чему и стал основным в рулевых механизмах.

На всех автомобилях, которые выпускают с последнего десятилетия прошлого века устанавливают только косозубые валы, это снижает нагрузку на соприкасающиеся поверхности и продлевает срок службы всего механизма, что особенно актуально для реек, не оснащенных гидравлическим (ГУР) или электрическим (ЭУР) усилителем. Прямозубая ведущая шестерня была популярна в СССР и РФ, ее ставили на первые варианты рулевых механизмов переднеприводных машин, однако, со временем от такого выбора отказались в пользу косозубой детали, ведь такой редуктор более надежен и требует меньше усилий для поворота колеса.

С рулевой колонкой ведущую шестерню соединяет составной вал с карданами, являющийся элементом безопасности, его назначение – защитить водителя во время столкновения от удара рулем в грудь. Во время удара такой вал складывается и не передает усилие в салон, что было серьезной проблемой в машинах первой половины прошлого века. Поэтому на праворуких и леворуких машинах эта шестерня располагается по-разному, ведь рейка стоит посередине, а шестеренка со стороны руля, то есть на самом краю агрегата.

Рейка

Сама рейка – это круглый пруток из закаленной стали, на одном из концов которого находятся зубцы, соответствующие ведущей шестерне. В среднем длина зубчатой части составляет 15 см, чего достаточно для поворота передних колес из крайне правого в крайне левое положение и наоборот. В торцах или середине рейки просверлены отверстия с резьбой для крепления рулевых тяг. Когда водитель вращает руль, ведущая шестерня перемещает рейку в соответствующую сторону, причем, благодаря довольно большому передаточному числу водитель может корректировать направление движения транспортного средства с точностью до долей градуса.

Рулевая рейка

Для эффективной работы такого механизма рейку фиксируют втулкой и прижимным механизмом, что позволяет ей перемещаться влево-вправо, но препятствует отдалению от ведущей шестерни.

Прижимной механизм

Во время езды по неровной местности редуктор рулевого механизма (пара рейка/шестерня) испытывает нагрузки, стремящиеся изменить расстояние между обоими элементами. Жесткая фиксация рейки может привести к ее подклиниванию и невозможности повернуть руль, а значит, выполнить маневр. Поэтому жесткая фиксация допустима только с одной стороны корпуса агрегата, удаленной от ведущей шестерни, со второй же стороны жесткой фиксации нет и, рейка может немного «играть», смещаясь относительно ведущей шестерни. Такая конструкция обеспечивает не только небольшой люфт, препятствующий подклиниванию механизма, но и создает более сильную обратную связь, позволяя рукам водителя лучше чувствовать дорогу.

Принцип работы прижимного механизма заключается в следующем – пружина с определенным усилием прижимает рейку к шестерне, обеспечивая плотное зацепление зубцов. Передаваемое от колес усилие, придавливающее рейку к шестерне, обе детали переносят легко, ведь изготовлены из закаленной стали. А вот усилие, направленное в другую сторону, то есть отдаляющее оба элемента друг от друга, компенсируется жесткостью пружины, поэтому рейка немного отодвигается от шестеренки, но это не влияет на зацепление обеих деталей.

Корпус

Корпус агрегата изготовлен из алюминиевого сплава, а также оснащен ребрами жесткости, благодаря чему удалось максимально снизить массу без потери прочности и жесткости. Прочности корпуса хватает для того, чтобы нагрузки, возникающие во время езды даже по неровной местности, не повреждали его. При этом схема внутреннего пространства корпуса обеспечивает эффективную работу всего рулевого механизма. Также, в корпусе предусмотрены отверстия для фиксации к кузову автомобиля, благодаря чему он воедино собирает все элементы рулевого управления, обеспечивая их согласованную работу.

Сальники, втулки и пыльники

Втулки, установленные между корпусом и рейкой, обладают высокой износостойкостью, а также обеспечивают легкое движение прутка внутри корпуса. Сальники защищают смазанный участок механизма, то есть пространство вокруг ведущей шестерни, препятствуя потере смазочного вещества, а также изолируют его от попадания пыли и грязи. Пыльники защищают открытые участки корпуса, через которые проходят рулевые тяги. В зависимости от модели машины они присоединены к торцам или середине рейки, в любом случае, именно пыльники защищают открытые участки корпуса от проникновения пыли и грязи.

Модификации и виды

Несмотря на то, что на заре своего появления рейка была лучшей разновидностью рулевого механизма, развитие техники подтолкнуло производителей к дальнейшей модификации этого устройства. Поскольку основные механизмы с момента появления агрегата, а также конструкция и схема его работы не изменились, производители направили свои усилия на повышение эффективности путем установки различных усиливающих устройств.

Первым был гидроусилитель, главным преимуществом которого была простота конструкции при крайней требовательности к правильной эксплуатации, ведь рулевые рейки с ГУР плохо переносили поворот на максимальный угол при высоких оборотах двигателя. Главным недостатком ГУР была зависимость от мотора, ведь именно к нему подключен нагнетающий насос. Принцип работы этого устройства заключается в том, что при повороте руля гидрораспределитель подает жидкость в одну из двух камер, когда же колеса достигнут соответствующего поворота, подача жидкости прекращается. Благодаря такой схеме необходимое для поворота колес усилие снижается без потери обратной связи, то есть водитель эффективно рулит и чувствует дорогу.

Следующим шагом стала разработка электрической рулевой рейки (ЭУР), однако, первые модели этих устройств вызывали массу нареканий, ведь нередко происходили ложные срабатывания, из-за чего машина самопроизвольно поворачивала во время движения. Ведь роль распределителя играл потенциометр, который, по различным причинам, выдавал не всегда верную информацию. Со временем этот дефект удалось почти полностью устранить, благодаря чему по надежности управления ЭУР ничем не уступает ГУР. Некоторые автопроизводители уже используют электрогидроусилитель, совмещающий в себе преимущества электрического и гидравлического устройств, а также лишенный их недостатков.

Поэтому сегодня принято следующее деление на виды рулевых реек:

• простые (механические) – почти не используют из-за низкой эффективности и необходимости прикладывать большие усилия для поворота колес на месте;
• с гидроусилителем (гидравлические) – являются одними из самых популярных благодаря простой конструкции и высокой ремонтопригодности, но усилитель не работает при выключенном двигателе;
• с электроусилителем (электрические) – также являются одними из самых популярных, постепенно вытесняя агрегаты с ГУР, ведь они работают даже при выключенном двигателе, хотя, до сих пор полностью не устранена проблема случайных срабатываний;
• с электрогидроусилителем, которые сочетают преимущества обоих предыдущих видов, то есть работают даже при выключенном двигателе и не «радуют» водителя случайными срабатываниями.

рулевая рейка с ЭУР

Такой принцип классификации позволяет владельцу или потенциальному покупателю легковушки сразу же оценить все преимущества и недостатки рулевого управления конкретной модели.

Взаимозаменяемость

Производители автомобилей почти никогда не занимаются выпуском реечных рулевых механизмов, исключение составлял «АвтоВАЗ», но и там эту работу передали партнерам, поэтому при сильных дефектах этого узла, когда ремонт невыгоден, необходимо выбирать не только модель, но и производителя этого механизма. Одним из лидеров этого рынка является компания ZF, специализирующаяся на выпуске всевозможных агрегатов, от автоматических трансмиссий, до механизмов рулевого управления. Можно вместо рейки ZF взять дешевый китайский аналог, потому что их схема и размеры одинаковы, вот только прослужит он недолго, в отличие от оригинального устройства. Нередко автомобили, возраст которых перевалил за 10 лет, оснащают рейкой от других производителей, что подтверждают фото их маркировки, выложенные в интернете

Нередко гаражные умельцы ставят на отечественные легковушки рулевые рейки от иномарок, например, различных моделей «Тойоты». Такая замена требует частичной переделки задней стенки моторного отсека, зато машина получает гораздо более надежный агрегат, который превосходит продукцию «АвтоВАЗа» по всем параметрам. Если же рейка от той же «Тойоты» еще и оснащена электро или гидроусилителем, то даже старенькая «Девятка» вдруг по комфорту резко приближается к иномаркам того же периода.

Основные неисправности

Устройство рулевой рейки таково, что этот механизм является одним из самых надежных в автомобиле, а большинство неисправностей связано либо с износом (повреждением) расходников, либо с дорожно-транспортными происшествиями, то есть ДТП или авариями. Чаще всего мастерам по ремонту приходится менять пыльники и сальники, а также изношенные рейки и ведущие шестерни, пробег которых превышает сотни тысяч км. Также приходится периодически подтягивать прижимной механизм, что обусловлено схемой рулевого механизма, но это действие не требует никакой замены деталей. Гораздо реже замены требует треснувший из-за аварии корпус этого агрегата, в таком случае исправные рейку, шестеренку и прижимной механизм переносят в донорский корпус.

Частыми причинами ремонта этого узла являются:

• люфт рулевого управления;
• стук во время езды или поворотов;
• излишне легкий или тугой руль.

Эти дефекты связаны с износом основных компонентов, из которых состоит рулевая рейка, поэтому их тоже можно отнести к расходникам.

Где находится

Чтобы понять, где находится и как выглядит рулевая рейка, поставьте машину на подъемник или эстакаду, затем откройте капот и поверните колеса в любую сторону до упора. Затем проследите, куда ведут рулевые тяги, именно там и находится этот механизм, похожий на ребристую алюминиевую трубу, к которой подходит карданчик от рулевого вала. Если у вас нет опыта авторемонта и вы не знаете, где находится этот узел, то просмотрите фото- и видеоматериалы, где авторы показывают расположение рейки в своих машинах, а также наиболее удобные способы доступа к ней: это сохранит вас от многих ошибок, в том числе, приводящих к травмам.

Вне зависимости от модели и года выпуска, этот механизм всегда расположен на задней стенке моторного отсека, поэтому его можно увидеть со стороны вывернутого колеса. Для ремонта или замены к нему удобней подбираться сверху, открыв капот, или снизу, сняв защиту двигателя, а выбор точки доступа зависит от модели и комплектации автомобиля.

Заключение

Рулевая рейка – это основа рулевого управления транспортного средства, с помощью которого водитель направляет колеса машины в требуемую сторону. Даже если вы не собираетесь сами чинить свою машину, то понимание того, как устроена рулевая рейка и каким образом работает этот механизм, будет полезно, ведь зная ее сильные и слабые стороны, вы сможете управлять легковушкой или джипом более бережно, продлевая срок его службы до ремонта.