Устройство гидроусилителя руля (ГУР) и электроусилителя руля (ЭУР)

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

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

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.

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. Ведь чтобы добиться хорошей информативности рулевого привода и одновременно не сделать баранку слишком тугой, нужно увязать воедино массу факторов: производительность насоса, параметры золотника и жесткость торсиона, геометрию передней подвески и углы установки колес (от этого в первую очередь зависит величина возвращающего усилия), параметры задней подвески, уводные характеристики шин и даже жесткость кузова на скручивание! Поэтому немудрено, что безупречные с этой точки зрения автомобили (например, Peugeot 405, 306 или BMW 3-й серии) попадаются очень и очень редко. Впрочем, многие фирмы специально жертвуют информативностью в пользу комфорта, зная привязанности своей клиентуры.

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 немецких гидроусилителях ZF Servotronic, которые стоят на машинах Audi A6 и A8, BMW 5-й и 7-й серий и всех моделях Jaguar, 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. Такая схема применяется в гидроусилителях автомобилей Mercedes-Benz А-класса. Правда, заманчивая идея на прямой вообще отключать насос, чтобы экономить топливо (на привод гидронасоса уходит несколько лошадиных сил), на практике неосуществима при резком отклонении баранки давление не успеет возрасти так быстро, и руль может "закусить".

Электроусилитель руля - ЭУР

Это электроусилители, в которых не осталось никакой гидравлики! На торсионе следящего устройства стоит датчик, и в зависимости от его сигнала электроника подает ток нужной полярности и силы на обмотки электромотора, связанного с рулевым механизмом через червячную передачу. А по сигналам от датчика скорости можно изменять характеристику усилителя в соответствии с любой заложенной в память блока зависимостью. Преимущества электроусилителя налицо:

- независимость работы усилителя от оборотов двигателя автомобиля,
- информативность (самонастройка усилителя руля к скорости автомобиля),
- независимость работы усилителя руля от температурных перепадов,
- экономичность:

а) усилитель руля потребляет энергию только при вращении руля, в отличие от гидроусилителя, когда рабочая жидкость всегда гоняется по трубам, на что тратится дополнительная энергия.

б) Коэффициент полезного действия электродвигателя намного выше КПД гидронасоса.

- надежность (отсутствие шлангов, ремней, прокладок, сальников, жидкостей),
- не требует обслуживания (замены, доливки рабочей жидкости),
- на порядок выше симметричность руля (отсутствие разницы вращающего усилия в левом и правом вращениях руля)

Электроусилитель ZF Servolectric в зависимости от полной массы и компоновки автомобиля может встраиваться в различные звенья рулевого управления.

1 рулевая колонка; 2 электроусилитель с червячной передачей и электронным блоком управления; 3 промежуточный вал; 4 реечный рулевой механизм; 5 следящее устройство с торсионом; 6 блок управления; 7 электропривод с механизмом винтшариковая гайкарейка

Рулевой механизм с переменным отношением

А нельзя ли изменять еще и передаточное отношение? Ведь около нулевого положения баранки, когда едешь по прямой на высокой скорости, излишняя острота рулевого управления добра не приносит, заставляя водителя напрягаться. А при парковке или развороте, наоборот, хотелось бы иметь передаточное отношение поменьше чтобы поворачивать руль на как можно меньший угол. Для этого существует несколько схем реечных рулевых механизмов.

Фирма ZF использует зубья рейки с переменным профилем: в околонулевой зоне зубья треугольные, а ближе к краям трапецеидальной формы. Шестерня входит с ними в зацепление с разным плечом, что и помогает немного изменить передаточное отношение. А другой, более сложный, вариант использовала Honda на своем суперкаре NSX - кстати, в сочетании с электроусилителем. Здесь зубья рейки и шестерни сделаны с переменными шагом, профилем и кривизной. Правда, шестерню приходится двигать вверх-вниз, но зато варьировать передаточное отношение можно в гораздо более широких пределах. Фирма Honda продемонстрировала и другой подход. Представьте себе две рейки, установленные коаксиально одна внутри другой и связанные через червячный привод с электромотором. Одна рейка, как обычно, вращается шестерней рулевого вала, а другая связана с рулевыми тягами. По сигналу от управляющего блока электродвигатель подает ведомую рейку вправо или влево от ведущей - и колеса поворачиваются на больший угол.

Вообще говоря, многочисленные достоинства рулевой системы с гидроусилителем во много раз перевешивают проблемы, создаваемые ее возможными неисправностями. Стоит после того, как вы поездили на автомобиле с современной системой, пересесть на автомобиль не имеющий гидроусилителя рулевой системы, и вы немедленно "почуствуете разницу".