Разновидности современных систем усилителя руля: достоинства и недостатки

Устройство гидроусилителя руля

Основные компоненты гидроусилителя руля

Гидроусилитель руля устанавливается на любого типа. Для легковых автомобилей наибольшее распространение получил реечный механизм. В этом случае схема ГУР следующая:

бачок для рабочей жидкости;
масляный насос;
золотниковый распределитель;
гидроцилиндр;
соединительные шланги.

Бачок ГУР

Бачок гидроусилителя

В бачке или резервуаре для рабочей жидкости установлен фильтрующий элемент и щуп для контроля за уровнем масла. С помощью масла смазываются трущиеся пары механизмов и передается усилие от насоса к гидроцилиндру. Фильтром от грязи и металлической стружки, возникающей в процессе эксплуатации, в бачке служит сетка.

Уровень жидкости внутри бака можно проверить визуально в случае, когда резервуар сделан из полупрозрачного пластика. Если пластик непрозрачный или используется металлический бачок, уровень жидкости проверяется с помощью щупа.

В некоторых автомобилях уровень жидкости можно проверить только после кратковременной работы двигателя либо при вращении рулевого колеса несколько раз в разные стороны во время работы машины на холостом ходу.

На щупах или резервуарах сделаны специальные насечки, как для «холодного» двигателя, так и для «горячего», уже работающего в течение какого-то времени. Также необходимый уровень жидкости можно определить и с помощью отметок «Max» и «Min».

Насос гидроусилителя

Лопастной насос гидроусилителя

необходим для того, чтобы в системе поддерживалось нужное давление, а также происходила циркуляция масла. Насос устанавливается на блоке цилиндров двигателя и приводится в действие от шкива коленчатого вала при помощи приводного ремня.

Конструктивно насос может быть разных типов. Наиболее распространенными являются лопастные насосы, которые характеризуются высоким КПД и износоустойчивостью. Устройство выполнено в металлическом корпусе с вращающимся внутри него ротором с лопастями.

В процессе вращения лопасти захватывают рабочую жидкость и под давлением подают ее в распределитель и далее в гидроцилиндр.

Привод насоса осуществляется от шкива коленчатого вала, поэтому его производительность и давление зависят от количества оборотов двигателя. Для поддержания необходимого давления в ГУР используется специальный клапан. Давление, которое создает насос в системе, может достигать до 100-150 бар.

В зависимости от типа управления масляные насосы подразделяются на регулируемые и нерегулируемые:

регулируемые насосы поддерживают постоянное давление за счет изменения производительной части насоса;
постоянное давление в нерегулируемых насосах поддерживает редукционный клапан.

Редукционный клапан представляет собой пневматический или гидравлический дроссель, действующий автоматически и контролирующий уровень давления масла.

Распределитель ГУР

Схематичное устройство распределителя

Распределитель гидроусилителя устанавливается на рулевом валу или на элементах . Его назначение – направление потоков рабочей жидкости в соответствующую полость гидроцилиндра или обратно в бачок.

Главными элементами распределителя являются торсион, поворотный золотник и вал распределителя. Торсион представляет собой тонкий пружинистый металлический стержень, который закручивается под действием крутящего момента. Золотник и вал распределителя представляют собой две цилиндрические детали с каналами для жидкости, вставленные друг в друга. Золотник связан с шестерней рулевого механизма, а вал распределителя с карданным валом , то есть с рулем. Торсион одним концом закреплен на валу распределителя, другой его конец установлен в поворотный золотник.

Распределитель может быть осевым, при котором золотник перемещается поступательно, и роторным – здесь золотник вращается.

Гидроцилиндр и соединительные шланги

Гидроцилиндр встроен в рейку и состоит из поршня и штока, перемещающего рейку под действием давления жидкости.

Схема циркуляции жидкости в гидроусилителе

Соединительные шланги высокого давления обеспечивают циркуляцию масла между распределителем, гидроцилиндром и насосом. Масло из бачка в насос и из распределителя обратно в бачок поступает по шлангам низкого давления.

Новые качества, которые обрела AFS

У тех, кто садился за руль новых BMW, оборудованных AFS, первые ощущения граничили с испугом. Автомобиль неожиданно резво реагировал на руление, заставляя забывать привычки «наматываться» на руль в парковочных режимах и маневрировании на малых скоростях. Машину переставляло на дороге подобно гоночному карту, а небольшие повороты руля при сохранности лёгкости заставляли по-новому взглянуть на процессы разворотов в стеснённом пространстве. Опасения, что автомобилем с такими реакциями будет невозможно управлять на больших скоростях, быстро развеялись. При движении в темпе 150-200 км/ч машина приобретала неожиданную солидность и плавность, хорошо удерживая стабильное состояние и не пытаясь сорваться в скольжение. Можно было сделать следующие выводы:

передаточное число рулевого редуктора при изменении примерно вдвое с ростом скорости обеспечивало удобное и безопасное управление во всех режимах;
в экстремальных режимах на грани скольжения автомобиль проявлял неожиданную устойчивость, что явно не было связано лишь с переменным передаточным числом рулевого редуктора;
поворачиваемость всегда сохранялась на оптимально сбалансированном уровне, машина не стремилась ни к заносу задней оси, ни к сносу передней;
от мастерства водителя мало что зависело, помощь автомобиля была явно заметна;
даже если автомобиль заведомо агрессивными действиями опытного водителя намерено вводился в занос, управлять в нём было легко, а машина сама из него выходила, как только прекращались провокации, причём абсолютно точно и без контрзаносов.

Сейчас на нечто подобное способны многие системы стабилизации, но это было только начало века, да и задействовалось лишь рулевое управление, без тормозного и тягового векторных моментов.

Сравнительные функции

Самыми популярными и востребованными в среде автолюбителей являются гидроусилители и электроусилители рулевого управления. Эти две разновидности усиления рулевого управления имеют свои достоинства и недостатки, поэтому разберем в этой связи каждый усилитель в отдельности.

Гидравлический усилитель довольно сложно устроен. Под капотом автомобиля он занимает слишком много места, а свободное место в автомобиле, как известно, и без того является дефицитным.

При поломке гидравлической системы управление автомобилем становится вообще невозможным – это довольно серьезный недостаток. Кроме того, гидравлический усилитель вынужден работать беспрерывно, и поэтому об экономии топлива говорить не приходится. И, наконец, обслуживать гидравлический усилитель намного дороже, чем, например, усилитель электрический.

Электрический усилитель рулевого управления имеет более простой механизм и, соответственно, является более простым и дешевым в обслуживании. Это выгодно.

Как мы уже говорили, при неисправной гидравлике у гидравлического привода движение автомобиля невозможно.

А вот если в дороге сломается электрический усилитель, положение будет не таким безнадежным: рулить автомобилем все равно будет можно. Единственное неудобство при этом – водителю придется прикладывать намного больше усилий при вращении «баранки», но это для крайнего случая это не такая уж и большая беда.

Кроме того, в самом устройстве электроусилителя за ненужностью не имеется гидрошлангов, прокладок, жидкости и сальников, что избавляет водителя от излишних проблем. Об экономии топлива при электрическом усилителе вообще говорить не приходится: устройство работает от электрогенератора и к потреблению топлива вообще не имеет никакого отношения.

Заключение

Исходя из приведенных фактов, стоит сделать заключение, что именно электрический усилитель управления рулем является самым удобным и самым надежным. Но это совсем не значит что буквально все автолюбители, которые еще не сделали свой выбор, прочтя эту статью, должны сразу же приобретать именно электрические усилители.

Надо заметить, такие устройства для усиления руля могут быть не для всех водителей удобными. Некоторые автолюбители полагают, что у электрических усилителей рулевого управления не слишком высокая информативность. Но, надо сказать, что этот недостаток не очень большой, и те достоинства, которые имеются, вполне его компенсируют.

У электрических усилителей, все-таки довольно высокая степень эффективности, экономичности и надежности. Поэтому, надо думать, будущее останется за ними.

Установка усилителя руля своими руками — в видео:

Принцип работы гидроусилителя

Главная особенность гидроусилителя руля состоит в том, что система задействуется сразу же после запуска двигателя автомобиля, так как вал гидронасоса вращается синхронно с коленчатым валом мотора. Пока водитель не работает рулём, образующееся в маслопроводах давление сбрасывается в расширительный бачок. Принцип работы гидравлического усилителя руля заключается в преобразовании давления рабочий жидкости, создаваемого гидронасосом, в механическую работу, совершаемую поршнем гидроцилиндра. Алгоритм функционирования ГУРа таков:

Рабочая жидкость перекачивается по системе, а избыток давления отправляется в расширительную ёмкость, пока водитель не начнёт поворачивать рулевым колесом. Во время поворота рулём торсион распределителя улавливает направления вращений, за счёт чего срабатывает один из двух клапанов, который открывает проток гидравлической жидкости к поршню цилиндра.

Масло с одной стороны надавливает на поршень, заставляет его толкать рейку или тягу в нужном направлении, пока шофёр не перестанет поворачивать руль. Когда рулевое колесо останавливается в любом положении, то гидрораспределитель закрывает клапан, а поршень прекращает подталкивать рейку.

При вращении рулевого колеса в обратную сторону первый клапан закрывается, и сразу же срабатывает второй. Жидкость поступает к поршню с другой стороны, заставляя его передвигаться и толкать рейку в другом направлении.

К примеру, автомобиль стоит с работающим двигателем на месте, и его колёса при этом установлены прямо. В этом положении гидроусилитель руля не работает, а его жидкость просто перекачивается насосом по системе – из расширительного бачка в гидрораспределитель и назад.

Водитель начинает вращения рулевым колесом. Крутящий момент от руля передаётся валу гидрораспределителя и дальше – торсиону, который начинает закручиваться. Поворотный золотник в тот момент не вращается, так как ему не даёт это делать сила трения. Перемещаясь относительно золотника, вал распределителя открывает канал для поступления масла в одну из полостей гидроцилиндра (в зависимости от того, куда водитель поворачивает руль). Вся рабочая жидкость под давлением отправляется в гидроцилиндр. Масло из второй полости гидроцилиндра поступает в сливную магистраль, и далее в расширительный бачок. Оно надавливает на поршень со штоком, за счёт чего рулевая рейка перемещается и колёса поворачиваются.

Когда водитель прекращает поворот рулевого колеса, однако продолжает удерживать его в повёрнутом положении, рулевая рейка при её перемещении вращает поворотный золотник и выравнивает его относительно вала гидрораспределителя. В тот момент распределитель ставится в нейтральное положение, и рабочая жидкость снова начинает просто вхолостую циркулировать по системе, не совершая работы (как это было при стоящей на месте машине и прямолинейном положении её колёс).

Режимы работы

Теперь по поводу режимов работы. Дело в том, что при разных условиях движения необходимо создание конкретного усилия. Также некоторые из режимов направлены на повышение комфортабельности.

Основными из режимов работы ЭУР можно отметить:

Парковка;
Движение на высокой скорости;
Подруливание;
Возврат колес в среднее положение.

Парковка автомобиля отличается надобностью поворота колес на большие углы, при этом с минимальной скоростью движения, а то и вовсе стоя на месте. Поэтому усилие на руле при парковке – значительное. Чтобы компенсировать ЭУР начинает работать в условиях создания максимального усилия.

А вот при движении на высокой скорости для обеспечения хорошей информативности, чтобы водитель не потерял чувства дороги, при маневрах ЭУР практически не задействуется или же создает малые усилия.

Интересным является режим подруливания. Условия движения авто могут быть самыми разными – дорога со скосом в одну сторону, воздействие сторонних факторов (боковой ветер, разное давление в колесах). Все они приводят к тому, что авто «уводит» в какую-либо из сторон. Режим же подруливания обеспечивает прямолинейное движение авто, причем делает ЭУР это без какого-либо участия со стороны водителя.

Существует и режим возврата колес в среднее положение, когда снижается усилие на рулевом колесе. Это происходит при завершении поворота, когда водитель «отпускает руль», блок управления по средствам датчиков рассчитывает необходимый момент и возвращает колеса в среднее положение за счет электроусилителя.

Описанные режимы работы в ЭУР включаются автоматически (благодаря информации от дополнительных датчиков). Но этот усилитель также позволяет водителю устанавливать свои определенные режимы – «Спорт», «Норма», «Комфорт».

Разница между режимами сводится к изменению реакции ЭУР на условия движения. К примеру, в режиме «Спорт» обеспечивается большая информативность (руль более «тяжелый»), а при «Комфорте» создает больше усилия, обеспечивая удобство управления авто. «Норма» же является средним положением, при котором, на малых скоростях ЭУР работает по максимуму, а на высоких – создает минимальное усилие.

Недостатки ЭУР

Система электроусилителя наряду с преимуществами также имеет несколько существенных недостатков:

ЭУР не используют на грузовых автомобилях (недостаточно мощности электромотора);
взаимодействие с большим количеством датчиков понижает надежность, возникают сложности с диагностикой и ремонтом;
себестоимость адаптивных электроусилителей намного дороже традиционного ГУР;
даже с учетом возможности гибкой настройки водители отмечают плохую обратную связь, усилие на руле не естественное, теряется связь с дорогой;

Примечательно то, что неисправность EPS может возникнуть совершенно неожиданно, проблема может быть плавающей (проявляться только во влажную погоду или после езды по плохой дороге). Результат — ремонт электроусилителей руля может быть затруднен, так как сложно определить причину даже после проведения углубленной диагностики.

С учетом таких минусов на более дорогих современных авто достаточно часто вместо традиционного ГУР или ЭУР устанавливают электрогидроусилитель руля ЭГУР. Данное решение сочетает в себе основные преимущества гидравлики и электроники, позволяя значительно улучшить качество рулевого управления.

Устройство и принцип работы системы AFS

. Конструкция достаточно простая и отличается неплохим КПД передачи крутящего момента руля (устанавливают на авто с независимой подвеской). Основой служит рулевая рейки с шестерней, сама же шестерня устанавливается на вал и постоянно находится в сцеплении с рейкой.

Вращая руль, рейка за счет шестеренки перемещается в горизонтальном положении влево или вправо. Тяги, прикрепленные к рейке, так же перемещаются в соответствии с поворотом руля, тем самым передавая усилия на колеса и поворачивая их по сторонам. Основные плюсы в самом строении, меньше тяг и шарниров, компактность, невысокая цена обслуживания, простота конструкции и надежность. Есть и минусы, редуктор такого механизма весьма чувствительный к неровностям на дороге, за чет чего любой удар колеса передается на руль.

Второй вид механизма –

. Считается самым старым видом среди существующих вариантов. Чаще всего встречается на классических, отечественных автомобилях, а так же на машинах с повышенной проходимостью. Как правило, подвеска таких автомобилей зависимая. От предыдущего вида червячный механизм отличается наличием червячного ролика, вместо шестерни, картера, а так же рулевой сошки.

Последний из видов рулевого управления –

. В отличие от двух предыдущих видов, механизм соединяется с помощью гайки и шариков специального винта. Как показывает практика, износ такого механизма минимальный, а детали ломаются очень редко.

Чаще всего винтовой механизм применяют на грузовых автомобилях, автобусах и легковых автомобилях представительского класса с повышенным комфортом и безопасностью. По принципу работы винтовой подвид работает так же, как и червячный, передавая момент прокручивания руля через червячную передачу.

Соответственно с зашитой логикой и программой блоки управления создают управление исполнительными механизмами как сервопривод рулевого механизма, сервопривод колес и электромагнитное сцепление возле руля. Рассмотрим механизмы и их назначение по отдельности. Благодаря сервоприводу рулевого механизма колеса повернутся на определенный угол, как правило, на каждое колесо инженеры установили свой сервопривод.

Для симуляции реальности поворота руля с усилием используется сервопривод руля, создается ощущения скольжения колес по дороге. Одним из важных элементов безопасности является электромагнитное сцепление. Во время подачи электроэнергии сцепление будет в разомкнутом состоянии, а рулевое управление будет проходить по проводам.

Принцип работы не такой то и сложный, когда водитель начинает вращать руль, датчик поворота руля считывает угол изменения положения и передает информацию на блоки управления. Далее идут расчеты, насколько нужно повернуть передние колеса. Таким образом, сервопривод перемещает рулевую рейку и обеспечивает поворот колес в соответствии с рассчитанным углом.

В это же время, рассчитав угол поворота, блок управления посылает обратно на сервопривод руля сигнал и имитирует усилие поворота колес. Как видим принцип работы механизма не сложный, но все же требует большой точности механизмов и их согласованности. Кроме этого стоит следить за исправностью всего механизма.

Самая главная функций эпициклической шестерни — изменение передаточного отношение, которое может достигать 1:10 при максимальной скорости вращения в определенном направлении. При этом руль становится острым, а углы поворота влево и вправо до упора уменьшаются, благодаря чему достигается больший комфорт в управлении.

При росте скорости движения, электродвигатель вращается медленней и передаточное отношение рулевого механизма уменьшается. В конечном итоге, электродвигатель прекращает свое вращение, это происходит на скорости в 180-200 км/ч, а усилие от рулевого колеса передает напрямую на рулевой механизм.

Если вдруг при повороте, будет зафиксирована избыточная поворачеваемость (потеря сцепления задних колес с поверхностью), то система динамической стабилизации DSC автоматически корректирует углы повороты передних колес. Также система стабилизирует движения автомобиля на скользкой дороге или при торможении.

Дальнейшее включение электромотора осуществляется с набором скорости, при этом его ротор вращается в обратную сторону. Величина передаточного числа равняется 1:20, многократно снижается острота руля и возрастает величина его оборотов, что позволяет в разы увеличить управляемость транспортным средством во время езды при высоком скоростном режиме.

Напоследок отметим, что система AFS постоянно находится в рабочем состоянии. Отключить ее невозможно.

Сравнительные функции

Как мы уже говорили, при неисправной гидравлике у гидравлического привода движение автомобиля невозможно.

Заключение

Установка усилителя руля своими руками — в видео:

Датчик частоты вращения и положения ротора G28

Положение (угол поворота) ротора электродвигателя V187 определяется с помощью датчика, принцип действия которого основан на магниторезистивном эффекте*. Этот датчик встроен в двигатель и не доступен снаружи. Датчик вырабатывает два сигнала, по которым определяется угловое положение ротора: один сигнал описывается функцией синуса, а другой – функцией косинуса.

Два сигнала упрощают контроль за работой датчика со стороны блока управления. В блоке управления J500 информация о положении ротора используется для определения момента, который должен развить усилитель руля.

При возникновении неисправности в системе управления усилителем руля производится его «мягкое» отключение. При этом в качестве управляющей функции используется скорость поворота рулевого вала, которая определяется по сигналу угла его поворота.

* Магниторезистивный эффектВ данном случае используется эффект изменения сопротивления проводника в продольном и поперечном направлениях в зависимости от направления действующего на него магнитного поля.

Принцип действия

Электрогидравлический тип усилителя рулевого управления устроен так, что во время движения он работает в различных режимах. В то время, когда машина движется прямо, гидравлическая система обеспечивает циркуляцию жидкости в трубопроводе. Это нужно для, чтобы жидкость была нужной температуры и нужного химического состава.

В тот момент, когда водитель начинает поворачивать, в этой системе происходит следующее.

Во-первых, закручивается торсион, который открывает каналы для поступления жидкости в них.
Во-вторых, жидкость перетекает в открывшуюся часть, а из закрывшейся части перетекает обратно в распределительный бачок.
В-третьих, во время поступления жидкости поршень перемещает рулевую рейку.
В-четвертых, за счет вышеперечисленных действий в системе появляется дополнительное усилие, которое способствует повороту колес.

Главная особенность этого типа усилителя заключается в том, что он работает даже тогда, когда машина стоит на месте или с выключенным зажиганием. Дело в том, что усилие создается специальным насосом. Отличие работы системы во время движения и когда автомобиль стоит на месте заключается лишь в том, что насосу приходится прилагать большие усилия, чтобы облегчить усилия, которые приложит водитель, чтобы провернуть руль.

Недостатки ЭУР

Система электроусилителя наряду с преимуществами также имеет несколько существенных недостатков:

ЭУР не используют на грузовых автомобилях (недостаточно мощности электромотора);
взаимодействие с большим количеством датчиков понижает надежность, возникают сложности с диагностикой и ремонтом;
себестоимость адаптивных электроусилителей намного дороже традиционного ГУР;
даже с учетом возможности гибкой настройки водители отмечают плохую обратную связь, усилие на руле не естественное, теряется связь с дорогой;

Блок управления усилителем (J500)

При неисправности блока управления усилителем J500 его необходимо заменить в сборе. После замены блока управления следует активизировать многопараметровую характеристику, записанную в его постоянном запоминающем устройстве. Для этого используется измерительно-диагностический комплекс VAS 5051.

Блок управления усилителем J500 установлен непосредственно на электродвигателе, благодаря чему отпадает необходимость в сложной внешней электропроводке к агрегатам рулевого управления.

В блок управления поступают сигналы:

с датчика угла поворота рулевого колеса G85,
с датчика частоты вращения коленчатого вала G28,
с датчиков крутящего момента на рулевом колесе и частоты вращения ротора двигателя, а также данные
о скорости авто и
об идентификации ключа зажигания с блока управления индикатором в комбинации приборов J285.

По этим сигналам блок управления усилителем определяет текущую потребность в поддержке рулевого управления, рассчитывает необходимую силу тока и непосредственно управляет электродвигателем V187.