Как Устроен Гур

[Sasha]

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.

 

 

ОДИН С СОШКОЙ — СЕМЕРО С РЕЙКОЙ

 

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.

 

 

 

Рулевой механизм типа червяк—ролик.

1 — глобоидальный червяк;

2 — двухгребневый ролик;

3 — вал сошки;

4 — регулировочный винт

 

 

 

На всякий хитрый винт найдется своя шариковая гайка (рулевой механизм ZF типа винт—шариковая гайка—рейка—сектор с гидроусилителем).

1 — распределитель;

2 — винт;

3 — шарики с трубкой рециркуляции;

4 — поршень-рейка;

5 — зубчатый сектор;

6 — вал сошки;

7 — ограничительный клапан

 

 

Да-да, именно древнейший — ведь на самых первых автомобилях конца прошлого 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 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.

 

UNDER PRESSURE

 

 

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

 

 

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".

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 дозированно 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.

 

 

 

Помощь рулевых усилителей с переменным реактивным действием уменьшается с ростом скорости, обеспечивая лучшую обратную связь.

 

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? Наши постоянные читатели наверняка обратили внимание на то, что эксперты Авторевю порою жалуются на отсутствие или нехватку реактивного усилия на руле. Увы, в этом чаще всего виноват

 

Привод электроусилителя Delphi E-Steer — электромотор и червячная передача 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!

 

 

 

Привод электроусилителя Delphi E-Steer — электромотор и червячная передача

 

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. Попытку решить этот вопрос обходным маневром предприняла недавно фирма Peugeot — некоторые версии модели 406 снабжались гидроусилителями, производительность насоса которых не увеличивалась с ростом оборотов мотора, а падала. Но что делать, если едешь на пятой передаче с малыми оборотами, а паркуешься, наоборот, подгазовывая? Словом, идея, похоже, себя не оправдала.

 

Но несколько лет назад, наконец, появились серийные гидроусилители с электронной регулировкой работы распределителя в зависимости от скорости.

В американской системе Magnasteer производства фирмы Delphi Saginaw, которой снабжены некоторые автомобили концерна General Motors (Chevrolet Corvette, многие модели Cadillac), с помощью электромагнитного устройства изменяется жесткость торсиона следящего устройства (см. АР № 3, 1997).

 

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.

 

 

 

Так устроен распределитель системы Magnasteer (5). Разъем соединяет блок управления с электромагнитным устройством изменения жесткости торсиона

 

 

В системе Magnasteer в зависимости от скорости изменяется жесткость торсиона распределителя.

1 — гидронасос с бачком;

2 — блок управления;

3 — электронный спидометр;

4 — реечный рулевой механизм с гидроусилителем;

5 — распределитель с электромагнитным

устройством изменения жесткости торсиона

 

 

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".

Впрочем, выход уже найден.

 

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.

 

 

 

Реечный рулевой механизм с гидроусилителем и переменным усилием на руле ZF Servotronic. С ростом скорости электрогидравлический модулятор снижает помощь усилителя до нуля.

1 - электронный спидометр;

2 - блок управления;

3 - электорогидравлический модулятор;

4 - реечный рулевой механизм; 5 -гидронасос;

6 - бачок; 7 - карданный шарнир

 

 

Вариант для автомобилей малого класса — усилитель встроен в рулевую колонку

 

Вариант для автомобилей среднего класса

 

Вариант для автомобилей большого класса и микроавтобусов — электропривод усилителя интегрирован с рулевой рейкой

 

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 винт—шариковая гайка—рейка

 

 

Преимущества электроусилителя налицо. Он проще и дешевле в производстве и монтаже — никаких шлангов, шкивов, ремней, насосов и прецизионной гидравлики. Его можно разместить в любом месте рулевого привода — в начале или в конце вала или непосредственно на рейке. Он позволит легко настроить реактивное действие на руле, "завязать" его с другими электронными системами. И экономить топливо, совсем отключая электромотор на большой скорости. Правда, при работе электроусилитель потребляет довольно большой ток — десятки ампер. Но зато не отнимается мощность на привод гидронасоса...

Пока нам удалось прокатиться только на одном автомобиле с электроусилителем — это был гибридомобиль Toyota Prius. И нам понравилось! А судя по тому, что электроусилители разработали все без исключения поставщики рулевых приводов, гидравлика скоро окончательно отправится на покой — во всяком случае, на легковых автомобилях.

 

 

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.

 

 

 

Так работает реечный рулевой механизм ZF с переменным передаточным отношением. Здесь изменяются профиль зубьев рейки и плечо зацепления

 

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. Осенью прошлого года (см. АР № 23, 1997) журналисты поездили на машине, оснащенной новым рулевым приводом с переменным передаточным отношением. 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.

 

 

 

Новый рулевой механизм фирмы Honda с "двойной" концентрической рейкой

 

 

Реечный рулевой механизм Honda VGR (Variable Gear Ratio — переменное передаточное отношение) использовался на автомобилях Honda NSX

 

Раньше было так: по тому, сколь распространены на автомобилях гидроусилители, можно было смело судить об уровне жизни в стране. Самый высокий — в Америке и Японии, пониже — в Германии и Франции. Ну, а о нас и вообще говорить нечего — гидроусилителей не было даже на УАЗах и ГАЗ-52.

Но посмотрите кругом: усилители руля все меньше воспринимаются как признак роскоши и все чаще — как обязательное средство облегчения работы водителя и повышения активной безопасности. А новые конструкции, будем надеяться, не допустят нехватки столь желанного в поворотах реактивного действия и не заставят жалеть о заплаченных за усилитель деньгах...

 

 

Л. ГОЛОВАНОВ