Рулевое управление является одним из основных устройств автомобиля, причем непосредственно влияющим на безопасность эксплуатации транспортного средства. Поэтому неудивительно, что каждое новое техническое решение по этой части подвергается тщательной отработке и длительным испытаниям. Однако это не мешает составляющим рулевого управления быть разнообразными по конструкции и обладать разными свойствами.
От гайки к рейке
Рулевое управление содержит как минимум два основных компонента – рулевой механизм и рулевой привод. Первый из них увеличивает усилие, прикладываемое водителем к рулевому колесу. Второй, состоящий из рычагов и тяг, непосредственно осуществляет поворот управляемых колес автомобиля при повороте руля.
Рулевые механизмы имеют трущиеся пары, которые могут быть такими, как червяк и ролик, червяк и сектор, винт и гайка. Рулевые механизмы с винтом и гайкой на циркулирующих шариках отличаются малыми потерями на трение и повышенным сроком службы. Более того, они легко сопрягаются с гидравлическими усилителями рулевого управления. В них вращение рулевого вала через шарики преобразуется в продольное перемещение гайки-поршня. При своем движении гайка-поршень за счет зубчатого зацепления на своей внешней стороне с зубчатым сектором вызывает поворот вала сошки.
Такие рулевые механизмы (с винтом и шариковой гайкой) получили широкое распространение не только на коммерческих транспортных средствах, но и на легковых автомобилях. Однако они постепенно сдают свои позиции в пользу реечных. Последние состоят из шестерни, закрепленной на конце рулевого вала, и зубчатой рейки, перемещающейся в специальных направляющих втулках и связанной с двумя внешними тягами рулевой трапеции. Реечный механизм заправлен смазкой и имеет на концах резиновые гофрированные чехлы.
Вращение рулевого колеса через шестерню передается на рейку и преобразуется в поступательные движения (вправо или влево) самой рейки и связанных с ней тяг рулевой трапеции, тем самым вызывая поворот колес. Устройство быстро и с высокой точностью выполняет подаваемые водителем команды управления. От других рулевых механизмов реечный отличается, прежде всего, меньшим весом. По данным немецкой компании ZF Lenkungsysteme GmbH (совместное предприятие фирм ZF и Bosch), являющейся одним из мировых лидеров по производству компонентов данного вида устройств, он примерно на 6 кг легче рулевого механизма с винтом и шариковой гайкой. К тому же дешевле. Отсюда и популярность, особенно на переднеприводных легковых автомобилях с их плотной упаковкой моторного отсека, для которых реечные рулевые управления предпочтительнее также и по компоновочным соображениям.
Но это еще не все. Если сделать нарезку зубьев на рейке с переменным шагом (меньшим в середине и большим на краях), то получится рулевой механизм с переменным передаточным отношением. В данном случае поворот рулевого колеса на один и тот же угол может вызывать поворот управляемых колес на разные углы. Все зависит от положения руля (меньшие углы в области среднего положения и большие при максимальных отклонениях). Достоинством такого технического решения является то, что благодаря пониженной чувствительности рулевого управления при небольших углах поворота управляемых колес движение с высокой скоростью требует от водителя меньшего напряжения и в то же время при маневрировании на парковке не надо слишком много крутить рулем.
Требуется помощник
Усилие, которое необходимо приложить к рулевому колесу для его поворота, зависит от нескольких факторов. Среди них и диаметр самого колеса, и параметры рулевого механизма, и нагрузка, приходящаяся на управляемые колеса транспортного средства. Для облегчения труда водителя на ранних этапах автомобилизации руль приходилось делать огромным и, вдобавок, увеличивать передаточное число механизма. Особенно это касалось тяжелых грузовых автомобилей и автобусов. Например, у довоенного отечественного грузовика ЯГ-6 диаметр рулевого колеса составлял 522 мм. Радикально решить проблему удалось благодаря созданию усилителей рулевого управления.
Данные полезные устройства не только значительно облегчили управление автомобилем, но и повысили безопасность движения, так как позволяют удержать транспортное средство на дороге в случае разрыва шины одного из передних колес.
Усилители бывают различных конструкций – пневматические, гидравлические, электрические. Первыми стали использовать пневматические, которые предназначались для тяжелых грузовиков. Применяли их и у нас. Пневмоусилители рулевого управления устанавливали на ЯАЗ-214, ЯАЗ-219, КрАЗ-257. Они состояли из силового пневматического цилиндра, воздухораспределителя, рычажной системы и воздухопроводов.
Сжатый воздух поступал от пневматической тормозной системы. Пневмоусилители просты по конструкции и не требовательны к качеству уплотнителей. Однако из-за сравнительно низкого давления сжатого воздуха пневмоцилиндры получались внушительных размеров. Другой существенный недостаток – низкое быстродействие. Поэтому предпочтение стали отдавать гидравлическим усилителям.
Гидроусилители рулевого управления отличаются компактностью и способностью поглощать удары, передающиеся от дороги на рулевое колесо. Они бесшумны и по сравнению с пневматическими имеют большее быстродействие, но при этом нуждаются в надежных уплотнителях и более тщательном обслуживании. Составляющими гидроусилителей являются насос, приводимый в действие от коленчатого вала двигателя, бачок для жидкости, цилиндр усилителя и гидрораспределитель. Купить гидрораспределитель, а также другие детали гидравлических систем вы можете в компании Укрспецналадка.
В СССР гидроусилители впервые применили в начале 50-х годов прошлого века на 25-тонном карьерном самосвале МАЗ-525 (даже несколько раньше пневматического), а затем и на междугороднем автобусе ЗИС-127.
Царство гидравлики
Современные гидравлические усилители рулевого управления доведены до совершенства и позволяют поворачивать колеса даже одним пальцем, причем на стоянке и при высоком коэффициенте сцепления шины с дорогой. На легковых автомобилях их используют совместно и с реечными рулевыми механизмами, и с механизмами типа «винт–шариковая гайка».
Познакомимся с рулевым управлением с реечным механизмом и гидравлическим усилителем подробнее. У него шток поршня гидроцилиндра и зубчатая рейка соединены друг с другом и могут перемещаться только вместе. Насос приводится во вращение от двигателя автомобиля посредством ременной передачи. Он может развивать давление до 150 бар, а жидкость с него направляется на золотниковый гидрораспределитель.
Предположим, что автомобиль движется прямолинейно и водитель усилий к рулевому колесу не прикладывает. Тогда торсион, размещенный внутри распределителя (в разрыве рулевого вала), находится в свободном состоянии. При этом компоненты распределителя располагаются таким образом, что поступающая от насоса жидкость через распределитель сливается обратно в бачок.
Далее нам необходимо повернуть. Водитель прикладывает к рулю вращающий момент. Это вызывает скручивание торсиона, а детали распределителя занимают такое положение, при котором одна из полостей гидроцилиндра соединяется с насосом, а другая – со сливной магистралью. Поршень, а вместе с ним рейка и тяги рулевой трапеции приходят в движение. Перемещение рейки будет продолжаться до тех пор, пока торсион снова не выпрямится.
По такому же принципу действует и рулевое управление с механизмом типа «винт-шариковая гайка» и гидравлическим усилителем. Однако здесь самостоятельного гидроцилиндра как такового нет, а его функцию выполняет сам механизм. А в качестве поршня выступает гайка (гайка-поршень). При вращении рулевого колеса по часовой стрелке жидкость от насоса через каналы гидрораспределителя подается во внешнюю камеру. Одновременно производится слив из внутренней. Давление масла на гайку-поршень способствует его движению вверх. Вращение же руля против часовой стрелки приводит к тому, что жидкость под давлением поступает во внутреннюю камеру и сливается из внешней.
Грядет электрификация
Стремление конструкторов повысить экономичность эксплуатации автомобилей отразилось и на гидроусилителях. Они обратили внимание на то, что двигатель вращает насос постоянно, а не только тогда, когда необходимо. Это приводит к перерасходу топлива, хотя и не столь существенному. И предложили решение по его экономии, суть которого состояла в том, что насос надо приводить во вращение электродвигателем – так появился электрогидроусилитель рулевого управления. Их применение позволяет не только несколько снизить расход топлива, но и легче компоновать моторный отсек – насос, электродвигатель и резервуар для жидкости объединяются в один модуль, который можно расположить в любом подходящем месте, хоть на корпусе самой зубчатой рейки.
Выбор параметров усилителя вызывает некоторую сложность. С одной стороны, желательно, чтобы при парковке автомобиля, когда приходится особенно много «крутить баранку», рулевое управление было бы максимально легким. С другой стороны, при скоростном движении по автостраде на первый план выходит «чувство дороги», которое тем лучше, чем слабее усиление. Следовательно, необходимо идти на компромисс и выбирать какое-то среднее значение, но при этом появляются и недовольные. Или делать усилитель, у которого коэффициент усиления зависел бы от скорости автомобиля, причем обратно пропорционально, т.е. чем выше скорость, тем слабее усиление.
Так и поступили. У компании ZF Lenkungsysteme подобные устройства получили фирменное название Servotronic. В них электронный блок управления в соответствии с информацией о скорости, получаемой от других устройств автомобиля (электронного спидометра или антиблокировочной системы), вырабатывает управляющие команды для электрогидравлического преобразователя, а тот, в свою очередь, определяет гидравлическое воздействие на клапан, который и регулирует величину усиления.
А нельзя ли вообще обойтись без гидравлики, если уж «на сцене» появился электромотор? Оказывается, можно. В электроусилителях присутствуют и сам электродвигатель, и микропроцессорный блок управления, и соответствующие датчики. Эти устройства ныне интенсивно развиваются, и уже создано большое количество разнообразных конструкций, различающихся между собой и типом применяемого электродвигателя, и наличием или отсутствием червячной передачи, и местом установки.
Кстати, возможность размещения электроусилителя в любом месте рулевого привода (вначале, середине или конце рулевого вала, а также на самой рейке) является одним из его достоинств. К другим преимуществам относятся низкая стоимость, простота монтажа, экономность в потреблении энергии. И что не менее важно – благодаря электронному управлению можно реализовывать сложные алгоритмы изменения коэффициента усиления в зависимости не только от скорости автомобиля, но и других факторов (в том числе осуществлять коррекцию своей характеристики по сигналам от системы динамической стабилизации). Более того, водитель может сам настраивать усилитель, хотя, к сожалению, на дешевых автомобилях эта функция не используется.
Самое лучшее
Следующим шагом развития рулевых устройств стали активные рулевые управления. Они вобрали в себя все лучшее, что было создано ранее, – пока это вершина совершенства. Их можно встретить на некоторых моделях автомобилей BMW, Lexus и Audi. Главная особенность таких устройств заключается в способности самостоятельно (автоматически) поворачивать колеса, хотя и в ограниченных пределах. Это дает ряд преимуществ: легко реализуется переменное передаточное отношение, при торможении на неоднородных покрытиях типа «микст», когда автомобиль имеет склонность к разворачиванию в сторону поверхности с большим коэффициентом сцепления, за счет самоподруливания сохраняется прямолинейность движения. И более того, активное рулевое управление является одним из исполнительных механизмов (наряду с двигателем и тормозами) системы динамической стабилизации.
Специалисты BMW создали свое устройство совместно с фирмой ZF Lenkungsysteme, которая в 2003 году начала их выпуск. В его основе – планетарная передача. Другие компоненты – электродвигатель с червячной передачей и электронный блок управления. Японцы пошли другим путем и использовали волновую передачу (с 60-х годов применяется в космической технике). Также на волновую передачу сделали ставку и на Audi.
В активных рулевых управлениях по-прежнему сохраняется механическая связь между рулевым колесом и управляемыми колесами автомобиля, что позволяет водителю при отказе в электрике или электронике не потерять контроль над транспортным средством.
А что же в перспективе? Неминуем отказ от этой механической связи и переход к рулевому управлению, в котором будет реализован принцип «управление по проводам». Оно будет выглядеть примерно так.
Рулевое колесо оснащается датчиками угла поворота и прикладываемого к нему вращающего момента и электродвигателем небольшой мощности. Последний имитирует реактивный момент. Мощный электромотор через реечную передачу непосредственно поворачивает колеса. Их угол поворота и развиваемый силовым электродвигателем момент измеряются соответствующими датчиками. Всем этим «хозяйством» заведует электронный блок управления. И все работает, причем отлично. Но вдруг… пропадает электропитание или возникает неисправность в контроллере или электрической машине.
На этот неприятный случай предусмотрен резервный гидравлический контур управления, включающий насос, связанный с рулем, и уже знакомый нам гидроцилиндр, шток поршня которого соединен с зубчатой рейкой. Перепускной электромагнитный клапан в случае исправности основного контура управления соединяет между собой обе полости гидроцилиндра и обеспечивает свободное перетекание жидкости при вращении силового электромотора. Бояться такого рулевого управления не стоит – уже несколько лет успешно эксплуатируется Mercedes-Benz класса Е с электрогидравлической тормозной системой (управление тормозами по проводам), а она с точки зрения безопасности не менее ответственна.
Так что развитие рулевого управления лежит в «общем русле» электронизации автомобиля, что неминуемо превратит его в «компьютер с колесами», который рулить уже станет сам.
