Всего лишь одним пальцем

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.