Рулевое управление с усилителем

 

                                     РУЛЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ С УСИЛИТЕЛЕМ

 

 

                                               Содержание:

                                                                                                                            Стр.

 

1. Введение                                                                                                   2
2. Типы рулевого механизма.                                                                     3
3. Гидроусилитель руля – ГУР.                                                                  4
4. Структура системы.                                                                                 7

 

5. Электроусилитель руля – ЭУР.                                                             13
6. Рулевой механизм с переменным отношением.                                   13
7. Процесс развития рулевого управления.                                               15
8. Литература                                                                                                18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Введение.

В начале ХХ века управление машиной требовало от водителя хорошей физической формы. Ведь для того чтобы повернуть тяжелые колеса для разворота на пятачке, приходилось здорово налегать на баранку. Такое положение дел, разумеется, мало кому нравилось: не все господа-автовладельцы блистали нужным здоровьем, к тому же в мир авто стремились и дамы, которым напрягаться и вовсе не положено. Особо страдали водители грузовозных автомобилей. Конструкторы стали думать. Естественным выходом было увеличение в рулевом передаточного числа, но тут появлялся серьезный минус – руль приходилось крутить, как ручку граммофона. Простой арифметикой задача не решалась – требовалось вводить новую систему. И ее придумал в 1925 году американец Фрэнсис Дейвис, запатентовав специальное устройство под названием "гидравлический усилитель рулевого управления". Правда, конструкция выглядела несколько "сыроватой" и мгновенного успеха не обрела. Однако принцип и путь совершенствования наметились: с конца 30-х – начала 40-х годов в Америке, а затем и в Европе конструкторы начинают ставить ГУР на некоторые свои модели автомобилей. К чему это привело сегодня, знают все – этим устройством оснащается весь грузовой автотранспорт и немалая доля легкового. Долгое время автомобильные конструкторы и не помышляли о сервоусилителях руля. Невысокие требования к управляемости и комфорту и небольшое пятно контакта сравнительно узких шин позволяли обходиться одной человеческой силой даже в управлении тяжелыми грузовиками. Средство для уменьшения усилия на руле было одно: сделать побольше передаточное отношение привода и диаметр баранки. А с тем, что водителю придется наяривать огромным рулем пять-шесть оборотов от отбоя до отбоя, да и точность управления будет невысокой, приходилось мириться. 
Сначала усилители рулевого управления появились на тяжелой технике — карьерных самосвалах. Произошло это в конце 30-х годов, перед войной. Правда, сначала стали использовать пневмоусилители — они были несложными и запитывались от компрессора уже существующих пневматических тормозов. Но гидравлика, хотя была сложнее и дороже пневматики, работала тише и точнее. На ней и остановились

 

 

конструкторы легковых автомобилей. Застрельщиками здесь выступили, понятное дело, американцы. В 1951 году серийные автомобили Chrysler Crown Imperial стали впервые оснащать гидравлическими усилителями Hydraguide в качестве стандартного оборудования. А в Европе в 1954 году гидроусилителем обзавелся Citroen DS 19.  
 
Типы рулевого механизма. 
 
Сначала — о самих рулевых механизмах, коих на автомобилях насчитывается три типа. Один из них, хорошо знакомый нам по классическим Жигулям, Москвичам и Волгам, носит неаппетитное название "червяк-сектор" или "червяк-ролик" из-за того, что его действие основано на использовании червячной шестеренчатой пары. Насаженный на конец рулевого вала глобоидальный червяк через зубчатый сектор или ролик поворачивает рулевую сошку, а та тянет вправо-влево тяги рулевой трапеции. 
 
Такой механизм практически сошел со сцены, уступив место в рулевых приводах грузовых и легковых автомобилей классической компоновки более сложным устройствам. Полное их название - "винт-шариковая гайка-рейка-сектор". Винт, которым оканчивается рулевой вал, через циркулирующие по резьбе шарики толкает вдоль своей оси поршень-рейку. А тот в свою очередь поворачивает зубчатый сектор рулевой сошки. 
 
Но с середины 70-х годов, с распространением на легковых автомобилях переднего привода, стал входить в моду древнейший тип рулевого механизма - "шестерня-рейка" или попросту реечный. Да-да, именно древнейший - ведь на самых первых автомобилях конца 19 столетия для поворота управляемых колес уже использовалось это простейшее сочетание шестерни на рулевом валу и зубчатой рейки в поворотном механизме! Не забывали о нем конструкторы и в середине 20 века - например, реечными механизмами снабжались автомобили BMW 30-х годов. А потом выяснилось, что механизм шестерня-рейка, будучи легче и технологичнее других механизмов, идеально подходит для переднеприводной компоновки и подвески McPherson, обеспечивая большую легкость и точность рулевого управления.

 

 

 И  теперь подавляющее большинство  механизмов на легковых автомобилях (в том числе и классической  компоновки)- реечные. А грузовые  машины, пикапы и большие внедорожники в основном по-прежнему довольствуются устройствами с винтом и гайкой на рециркулирующих шариках. 
 

Гидроусилитель руля – ГУР. 
 
Как следует из названия, данное устройство основано на использовании принципа гидравлики. Давление в системе, заправленной специальной жидкостью, создается гидравлическим насосом, приводимым в действие коленчатым валом двигателя. В конструкции предусмотрен золотниковый клапан, который при повороте руля переключает подачу жидкости в ту или иную полость, обеспечивая дополнительный механизм рулевого управления (редуктор или рейку). 
 
Задача состоит в том, чтобы сделать поворачивание рулевого колеса достаточно легким при маневрировании с малой скоростью и более ощутимым по усилию на рулевом колесе при движении с большей скоростью, чтобы управление автомобилем стало как можно более безопасным. 
 
У большинства гидроусилителей вне зависимости от скорости движения автомобиля коэффициент усиления остается постоянным. Однако все большее число поступающих на рынок автомобилей сегодня оснащается системами с переменным коэффициентом усиления, у которых степень усиления уже изменяется в зависимости от скорости движения автомобиля. Они обеспечивают точную и быструю реакцию при движении автомобиля на поворотах и требуемое усилие при маневрировании автомобиля с малой скоростью. Одним из путей достижения этого является использование рейки рулевого механизма с переменным передаточным отношением зубчатого зацепления.

 

 

С этой целью по длине рейки изменяется шаг и диаметр делительной окружности зубьев, а на шестерне шаг зубьев остается постоянным. Когда колеса автомобиля выставлены для движения в прямом направлении, передаточное число рулевого механизма равно единице и коэффициент усиления наименьший, но по мере приближения рулевого колеса к его крайним положениям, передаточное число возрастает и усиление, необходимое для поворачивания колес, уменьшается. Гидроусилитель рулевого механизма, управляемый компьютером, также перестает быть чем-то необычным. Такие системы рулевого управления обрабатывают информацию от спидометра автомобиля. Их работа определяется не только числом оборотов двигателя, но и скоростью движения автомобиля. Микропроцессор компьютера анализирует поступающие от датчика сигналы и вычисляет требуемый на каждый момент коэффициент усиления, который реализуется с помощью электрогидравлического преобразователя. Идея разработчиков таких систем: взять лучшее из двух видов рулевого управления - при скоростях, характерных для паркования автомобиля, сделать рулевое управление наиболее легким, а при движении с высокой скоростью действие усилителя уменьшать до такой степени, чтобы система работала почти так же, как обычное механическое рулевое управление без усилителя.  
 
Как правило, рулевой механизм с гидроусилителем обладает высокой надежностью и не требует сложного обслуживания при эксплуатации автомобиля. Даже в случае отказа насоса усилителя, движение на автомобиле можно продолжать, хотя для поворачивания рулевого колеса в этом случае потребуется прикладывать значительно больше усилий, чем даже на автомобиле без гидроусилителя.  
Исполнительный механизм гидроусилителя легкового автомобиля, как правило, выполнен заодно с рулевым механизмом - такие усилители называются интегральными. В качестве рабочей жидкости в гидроусилителях иномарок используется масло ATF- то же, что и в автоматических коробках передач.

 

 

А отечественные агрегаты работают на масле марки Р, по своим свойствам близком к обычной "веретенке". 
 
 
Реечный рулевой механизм с гидроусилителем. Если рулевые тяги, как здесь, располагаются по бокам рейки, то поршень размещается посередине корпуса. А если тяги крепятся к центральной части рейки, как это сделано на Самарах и Москвиче-2141, то поршень выносят вбок. 
1 — рулевая рейка; 2 — поршень; 3 — сальники; 4 — шарниры рулевых тяг; 5 — распределитель с золотником; 6 — шестерня; 7 — торсион; 8 — роторный гидронасос 
 

Рулевое управление с усилителем представляет собой

устройство, предназначенное для уменьшения усилия, необходимого

для поворота рулевого колеса. В настоящее время системы

рулевого управления с усилителем используются очень широко.

Вместе с тем в системах с постоянным коэффициентом

усиления при установке небольшого рулевого усилия управление

будет слишком чувствительным для движения на высокой

скорости, а при установке большого усилия в расчете на высокую

скорость движения рулевое управление становится слишком

тяжелым для водителя при движении на низких скоростях.

Разработки с целью повышения эффективности рулевого

управления базируются на прогрессе в области электронной

техники и имеют два направления — управление, реагирующее

на скорость движения автомобиля, и управление, реагирующее

на частоту вращения коленчатого вала двигателя.

В первом случае коэффициент усиления изменяется в соответствии

со скоростью автомобиля, во втором — с частотой

вращения коленчатого вала двигателя. В обоих случаях цель

изменения состоит в том, чтобы сделать более легким управление

на низкой скорости и менее чувствительным — на высокой.

Существуют также системы которые с помощью микроЭВМ

 

 

 

 

 

позволяют управлять рулевым усилием по угловой скорости поворота

рулевого колеса либо устанавливать его по желанию водителя.

 

Структура системы.

 

Роторный или аксиально-поршневой насос, приводимый ремнем от коленчатого вала, засасывает из бачка масло и нагнетает под высоким давлением в 50-100 атм в золотниковый распределитель. Задача распределителя - отслеживать усилие на руле и строго дозировано помогать поворачивать управляемые колеса. Для этого используют следящее устройство - чаще всего это торсион, встроенный в разрез рулевого вала. Когда машина стоит или едет по прямой, то усилия на рулевом валу нет, и торсион не закручен — соответственно, перекрыты дозирующие каналы распределителя, а масло сливается обратно в бачок. Водитель поворачивает руль, колеса сопротивляются - торсион закручивается тем сильнее, чем больше усилие на руле. Золотник открывает каналы и направляет масло в исполнительное устройство. В механизме типа "винт-шариковая гайка" большее давление подается или за поршень, или до него, помогая тому перемещаться вдоль рулевого вала. А в реечном механизме масло подается в корпус рейки — в ту или иную сторону от поршня, связанного с рейкой, и подталкивает ее вправо или влево. Когда баранка уже повернута до упора, срабатывают предохранительные клапаны, сбрасывая давление масла и сохраняя детали механизма от повреждения.

 

Система, которая управляет рулевым усилием в соответствии со  скоростью автомобиля, состоит, из датчика скорости, электро-

магнитных клапанов, насоса и электронного блока управления.

Существует несколько типов рулевого управления с усилителем.

Однако в основном в них применяется циркуляция рабочей жидкости

под давлением (развиваемым насосом, который приводится в

действие двигателем ) по путям Р-А-Т, Р-В-Т, показанным на рисунке

Клапаны V1, V4 и V2, V3 образуют пары, в каждой из которых

клапаны открываются и закрываются одновременно, причем

 

 Гидравлическая схема

                                                                                рулевого управления            

                                                                                 с  усилителем.

 

пары работают в противофазе. Если рулевое колесо находится

в среднем положении, то давление жидкости справа и слева

одинаково. При повороте рулевого колеса изменяется степень

открытия клапанов в соответствии с величиной усилия. Равенство

давлений с двух сторон поршня нарушается, и за счет возникающей

при этом силы он смещается, поворачивая сектор, связанный с управляемыми колесами. В распространенных системах рулевого

 управления  с усилителем степень открытия клапанов определяется непосредственно рулевым усилием. Однако управление этим усилием целесообразно осуществлять, обе камеры цилиндров А и В рулевого

механизма обходным каналом, сечение которого регулируется электромагнитным клапаном. Такой способ реализуется в виде

достаточно простой системы. Вместе с тем его недостаток состоит

в том, что из-за ограничений в регулировании потока диапазон изменения

рулевого усилия нельзя сделать достаточно большим. Для преодоления

этого недостатка систему усложняют, используя способ

гидравлического противодействия, позволяющий добиться большей

разницы рулевых усилий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

 

 

Поможет электроника 
 
Неоспоримое преимущество рулевого усилителя - облегчение работы рук при парковочных маневрах, когда приходится совершать много оборотов баранки при максимальном усилии, или в затяжных поворотах. Но усилитель обладает еще одним полезным свойством - он ослабляет передачу на руль ударов от неровностей дороги.

 

 

 

 

А недостатки? Владельцы автомобилей с ГУР часто жалуются на отсутствие или нехватку реактивного усилия на руле. Увы, в этом чаще всего виноват гидроусилитель - он слишком активно помогает водителю, оказывая тому еще и медвежью услугу, убирая ту толику возвращающего усилия, которая и обеспечивает "чувство автомобиля". И задача конструкторов при разработке и настройке ходовой части оказывается чертовски сложной.  
Еще одна задача, которая стоит перед конструкторами, - сделать так, чтобы на маленькой скорости руль был легким, а на большом ходу становился более упругим и информативным. А в гидроусилителях на помощь золотнику приходит электрогидравлический модулятор давления - с ростом скорости по сигналу от управляющего блока он ограничивает давление в рабочем контуре, и помощь гидроусилителя сходит на нет. Существует еще один вариант решения - приводить насос гидроусилителя не от коленчатого вала двигателя, а от электромотора. Тогда, с помощью электроники изменяя частоту вращения электропривода, можно варьировать производительность насоса как угодно.