Шестерня и рейка. Шестерня радиусом 8,84 мм за оборот сдвигает рейку на 55,5 мм. От упора до упора — 2,7 оборота руля и 150 мм хода рейки.
Вал с карданами. Колонка и шестерня не на одной оси, между ними вал с двумя карданами. При равных углах и вилках в одной плоскости шестерня вращается так же ровно, как руль.
Усилитель. Торсион закручивается на 1–3°, датчик меряет это и мотор или масло добавляют момент. На парковке нужно около 60 Н·м, водитель даёт 5.
Тяги и Аккерман. Тяги толкают рычаги кулаков. Рычаги наклонены внутрь, поэтому внутреннее колесо поворачивается на 37°, наружное на 29°, и машина не скребёт шинами.
Детали в модели «Рулевое управление»
Рулевое колесо. Обод Ø370 мм: при силе 15 Н на ободе водитель создаёт момент около 2,8 Н·м. В ступице — подушка безопасности и контактная спираль.
Рулевая колонка. Кожух с подшипниками вала и замком руля. При ударе в аварии колонка складывается на 50–80 мм и гасит энергию.
Карданный (промежуточный) вал. Соединяет колонку с шестернёй под углом. Телескопический: шлицы позволяют валу сжиматься при ударе и при монтаже.
Карданный шарнир. Крестовина на игольчатых подшипниках. Два шарнира с равными углами (здесь по 17°) и вилками в одной плоскости вращают шестерню без неравномерности.
Показ по шагам
Руль прямо. Колёса стоят прямо, рейка в середине хода. Четыре узла: колонка, вал с карданами, механизм и тяги.
Шестерня двигает рейку. Поворот руля вращает шестерню, её зубья толкают рейку. Один оборот руля — 55,5 мм хода рейки.
Два кардана. Вал идёт к шестерне под углом. Два одинаковых шарнира с вилками в одной плоскости гасят неравномерность друг друга.
Электроусилитель. Торсион закручивается под рукой, датчик это видит, мотор через червяк доворачивает вал. На парковке он делает 90% работы.
Принцип Аккермана. Рычаги кулаков наклонены внутрь: внутреннее колесо поворачивается сильнее и оба катятся вокруг одного центра.
Гидроусилитель. Золотник направляет масло под давлением в полость цилиндра, поршень на рейке толкает её в сторону поворота.
Что ломается и как это проявляется
Заедает кардан. Признаки: руль поворачивается неравномерно, в каком-то положении «закусывает», после поворота плохо возвращается. Бывает щелчок. Что проверить: отсоединить вал от рейки и покачать шарниры руками: должны ходить мягко, без закусывания и люфта. Ржавый шарнир — замена вала.
Упрощения модели
Ось шкворня в модели вертикальная, без продольного и поперечного наклона; поэтому руль не возвращается сам, а углы колёс считаются только по геометрии тяг.
Нагрузка на рейку посчитана упрощённо: сопротивление шин на месте плюс стабилизирующий момент от скорости. Реальные числа зависят от массы, шин и развала.
Без усилителя механизмы обычно делают медленнее (3,5–4 оборота), здесь передаточное число то же, поэтому момент получается очень большим.
Закрутка торсиона и смещение меток датчика момента показаны увеличенными, люфты в неисправностях тоже.
Торсион закручивается не больше чем на 5°, дальше момент передаёт упор. Упругость самого упора и вала не учтена.
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.