Усилитель рулевого управления
Autoservice-ryazan.ru

Автомобильный портал

Усилитель рулевого управления

Усилители рулевого управления

Если на управляемые колеса приходится большой вес, то управление затрудняется из-за необходимости прикладывать к рулевому колесу значительные усилия. Это предопределило применение усилителей рулевого управления.
Если первоначально по указанным причинам усилители применялись на тяжелых грузовых автомобилях и автобусах с высокими нагрузками на управляемые колеса, то в последние десятилетия усилители стали более широко применяться также и на легковых автомобилях, в том числе малого класса, поскольку позволяют использовать рулевые механизмы с меньшими передаточными числами и обеспечивать точность и быстродействие управления на высоких скоростях движения (меньше необходимые углы поворота рулевого колеса).
Возрастающие при этом усилия, необходимые для маневрирования с большими углами поворота колес (например, парковка), компенсируются действием усилителя. Кроме того, наличие усилителя снижает общую физическую нагрузку на водителя, в ряде случаев позволяет гасить удары от дорожных неровностей, усилитель обеспечивает возможность удержания автомобиля на дороге при повреждении шин или подвески. Но усилитель может оказать и отрицательное влияние на рулевое управление, например из-за низкого быстродействия (запаздывание включения при резких поворотах руля), потери водителем «чувства дороги», снижении точности управления при слишком облегченном повороте рулевого колеса, колебаниях управляемых колес, спровоцированных усилителями.
Современные рулевые усилители имеют конструкцию, свободную от данных недостатков. Усилители, применяемые на современных автомобилях, по принципу своего действия могут быть адаптивными и неадаптивными, а по типу привода — гидравлическими, пневматическими и электрическими. Адаптивные усилители могут изменять коэффициент усиления в зависимости от скорости автомобиля. У автомобиля с таким усилителем при маневрировании на стоянке усилие, необходимое для поворота рулевого колеса, значительно ниже, чем у неадаптивных, а по мере увеличения скорости движения автомобиля усилие поворота увеличивается.
Неадаптивный усилитель состоит из трех основных частей:
— источника энергии;
— силового элемента, создающего дополнительное усилие при работе рулевого управления;
— управляющего элемента, отвечающего за включение и выключение силового элемента.
Адаптивный усилитель руля, кроме перечисленных частей, имеет датчик скорости автомобиля, электронный блок управления и исполнительное устройство (обычно электрогидравлическое), которое воздействует на управляющий элемент.

Большинство современных автомобилей с усилителем имеют гидравлический усилитель рулевого управления, в котором гидравлический насос, приводимый от двигателя автомобиля (источник энергии), создает давление в гидравлическом цилиндре (силовой элемент). Наиболее распространены гидроусилители, в которых силовой и распределительный элементы объединены с рулевым механизмом в одном корпусе (гидроруль). Поршнем гидроцилиндра в реечном рулевом механизме при этом является рулевая рейка, в механизме «винт – гайка–рейка–сектор» — гайка. Управляющее устройство выполнено в виде золотника на входном вале механизма, который при прикладывании усилия к рулевому колесу поворачивается (или смещается) перекрывает определенные каналы для прохода жидкости и тем самым соединяет правую или левую полость гидроцилиндра с гидравлическим насосом.
На некоторых автомобилях (многоосные, тяжелые грузовые) гидроцилиндр устанавливают в непосредственной близости от управляемого колеса для снижения нагрузок на рулевой привод. Иногда с целью унификации конструкции рулевого механизма для автомобилей с усилителями и без них золотниковое распределительное устройство также располагается на тягах рулевого привода.

Электрогидравлический рулевой усилитель

Разновидностью гидроусилителя является электрогидравлический усилитель, в котором гидравлический насос соединен с электродвигателем, питающимся от бортовой электросети автомобиля. Конструктивно электродвигатель и гидронасос объединены в силовой блок (Powerpack).
Преимущества такой схемы: компактность, возможность функционирования при неработающем двигателе (источник энергии — АКБ автомобиля); включение гидронасоса только в необходимые моменты (экономия энергии), возможность применения электронных схем регулирования в цепях электродвигателя.

Электрические усилители рулевого управления:
а — с воздействием на рулевой вал;
б — с воздействием на шестерню рулевого механизма;
в — с воздействием на рейку рулевого механизма

В последние годы на легковых автомобилях стали применяться электрические усилители рулевого управления, в которых функции силового элемента выполняет электродвигатель, а управляющего элемента — электронный блок. Основные преимущества данного усилителя: удобство регулирования характеристик, повышение надежности (отсутствие гидравлики), экономное расходование энергии. Возможны следующие варианты компоновки электроусилителя:
— усилие электродвигателя передается на вал рулевого колеса;
— усилие электродвигателя передается на вал шестерни реечного рулевого механизма;
— электродвигатель воздействует через винтовую гайку на рейку рулевого механизма.
Электроусилитель с воздействием на вал рулевого колеса может быть установлен без серьезных переделок на автомобили при условии, что прочность деталей рулевого управления окажется достаточной.
Пока электроусилители применяются лишь на легких автомобилях, поскольку существующие бортовые источники электроэнергии не могут обеспечить работу электродвигателя высокой мощности. Но в случае перехода на более высокое напряжение бортовой сети (например, 42 В) можно ожидать расширения сферы применения электроусилителей.

Усилители рулевого управления

Для уменьшения усилия, прикладываемого водителем к рулевому колесу при повороте автомобиля, применяются усилители. Они выполняют следующие функции:

  • обеспечивают кинематическое следящее действие, т. е. пропорциональность между углами поворота управляемых колес ТС и рулевого колеса;
  • создают силовое следящее действие — «чувство дороги», т. е. обеспечивают пропорциональность между усилием, прилагаемым водителем к рулевому колесу, и сопротивлением повороту управляемых колес машины (чем меньше радиус поворота автомобиля и, следовательно, больше углы поворота управляемых колес, тем больше момент сопротивления их повороту);
  • позволяют управлять автомобилем при выходе усилителя из строя;
  • повышают безопасность движения, так как обеспечивают возможность управления автомобилем при разрыве шины на управляемом колесе, что особенно важно в случае, когда автомобиль движется с большой скоростью;
  • смягчают удары, передаваемые на рулевое управление при движении по неровной дороге.

Усилитель (его силовой цилиндр) устанавливают в рулевом управлении параллельно рулевому редуктору, выполняя тем самым требование обеспечения возможности управления автомобилем при выходе усилителя из строя. Рассмотрим схему рулевого управления автомобиля при наличии усилителя.

При повороте рулевого колеса 13, например, вправо сошка 12 рулевого механизма 14 повернется по часовой стрелке. В результате золотник 9 распределителя 8 сместится, и рабочая жидкость начнет подаваться от насоса 2 в полость А силового цилиндра 7, который будет поворачивать управляемые колеса 4 в необходимую сторону. При этом полость Б силового цилиндра соединится через распределитель со сливной магистралью 1. Поршень силового цилиндра переместится, а его шток, воздействуя на привод управления, повернет управляемые колеса на угол, значение которого пропорционально углу поворота рулевого колеса. При этом усилитель будет обеспечивать необходимое «чувство дороги».

Рис. Схема рулевого управления с усилителем: 1 — сливная магистраль; 2 — насос; 3 — тяга; 4 — управляемые колеса; 5 — рычаг; 6, 10 — реактивные камеры; 7— силовой цилиндр; 8 — распределитель; 9 — золотник; 11 — нагнетательная магистраль; 12 — сошка; 13 — рулевое колесо; 14 — рулевой механизм; А, Б — полости силового цилиндра

По окончании поворота рулевого колеса управляемые колеса из-за давления рабочей жидкости будут продолжаться поворачиваться вправо. За счет рычага 5 и тяги 3 корпус распределителя сместится назад и перекроет подачу рабочей жидкости в полость А силового цилиндра. Поворот управляемых колес будет прекращен.

Кинематическое следящее действие усилителя обеспечивается за счет механической обратной связи рычага и тяги с управляемыми колесами. Силовое следящее действие достигается с помощью реактивных элементов усилителя — камер и плунжеров (в данном случае — камер 6 и 10). В эти камеры через калиброванные отверстия поступает рабочая жидкость из нагнетательной магистрали 11. В зависимости от направления поворота автомобиля жидкость под давлением подается либо на правый, либо на левый торец золотника 9. Создаваемое при этом усилие, зависящее от давления в магистрали, которое, в свою очередь, зависит от сопротивления повороту управляемых колес, смещает золотник в необходимую сторону. С увеличением момента сопротивления повороту управляемых колес повышается давление рабочей жидкости в цилиндре и реактивной камере распределителя. Это давление препятствует смещению золотника и способствует его возвращению в нейтральное положение.

За счет инерции управляемых колес возможно дальнейшее смещение корпуса распределителя относительно золотника и переход через нейтральное положение. В данном случае полость Б цилиндра соединяется с магистралью, и начинается поворот управляемых колес в обратном направлении. Это явление называют автоколебаниями управляемых колес. Во избежание его в конструкцию усилителя вводят специальные реактивные элементы.

На ТС применяются в основном гидроусилители рулевого управления, в которых в качестве рабочего тела используется жидкое минеральное масло при давлении до 7…9 МПа. Применяются также пневмоусилители, работающие от пневматической тормозной системы автомобиля.

Усилитель состоит из трех основных устройств:

  • источника энергии (насоса)
  • исполнительного механизма
  • распределительного устройства

Роль исполнительного механизма выполняет цилиндр, куда под давлением подается рабочая жидкость (минеральное масло). Цилиндр перемещает в необходимую сторону детали привода управляемых колес, уменьшая усилие, прикладываемое водителем к рулевому колесу, в 3 — 5 раз.

Усилитель включается в работу только по мере необходимости.

По схеме компоновки с рулевым механизмом различают следующие конструкции усилителей:

  • совмещенная (встроенная), когда исполнительный механизм и распределительное устройство усилителя объединены с рулевым механизмом;
  • раздельная, когда исполнительный механизм (цилиндр) размещается на рулевом приводе, а распределительное устройство — либо на исполнительном механизме, либо на рулевом, либо отдельно.

Применение той или иной схемы обусловливается конструктивными особенностями ТС, нагрузкой на управляемые колеса и возможностью унификации деталей рулевого привода.

Силовой цилиндр гидроруля автомобиля ЗИЛ объединен с картером 2 редуктора, а поршень — с рейкой. Винт 4 уплотнен в крышке 12 и в поршне-рейке 3 уплотнительными кольцами. Поршень-рейка имеет наружные уплотнительные кольца, разделяющие противоположные от него полости силового цилиндра. Распределительное устройство золотникового типа размещено в корпусе 10 клапана управления, прикрепленном к крышке 8 картера рулевого управления. Золотник 9 распределительного устройства установлен между двумя упорными шарикоподшипниками на конце винта. Посредством шайбы и регулировочной гайки 11 упорные подшипники и золотник стянуты друг с другом и имеют слева упор в кольцевой буртик винта. Длина золотника составляет на 1,1 мм больше длины проточки для него в корпусе распределительного устройства, вследствие чего золотник вместе с винтом может перемещаться в осевом направлении внутри золотниковой камеры от центрального положения. Золотник имеет цилиндрическую форму с кольцевыми проточками для протекания рабочей жидкости (масла).

Читать еще:  Присадки для промывки форсунок

При центральном положении золотника подводящее и отводящее отверстия золотниковой камеры соединяются между собой центральной проточкой золотника (обе полости картера рулевого механизма справа и слева от поршня-рейки соединены с насосом гидроусилителя и бачком для масла). Шесть реактивных пружин 13, установленных между плунжерами 14, стремятся удержать золотник в среднем (центральном) положении. При нейтральном положении наружные торцевые поверхности плунжеров частично упираются в торцевые поверхности корпуса золотниковой камеры распределительного устройства, а частично — в поверхности упорных подшипников, расположенных по обе стороны золотника и фиксирующих его в осевом направлении. Между торцами золотниковой камеры и внутренними обоймами упорных подшипников имеется зазор 1,1 мм. Усилие предварительного сжатия реактивных пружин определяет начало включения усилителя в работу.

Отличительным признаком РУ автомобилей КамАЗ является компоновка рулевого механизма с коническим (угловым) редуктором, связанным через карданную передачу с рулевым колесом. Рулевой механизм, как и у автомобиля ЗИЛ, размещен в одном корпусе с клапаном управления гидроусилителем и силовым цилиндром. В отличие от усилителя автомобиля ЗИЛ реактивные плунжеры размещены в трех отверстиях корпуса совместно с центрирующими пружинами. Рабочий ход золотника распределителя также составляет 1,1 мм. Предохранительный клапан, соединяющий магистрали высокого и низкого давления, срабатывает при давлении рабочей жидкости около 7 МПа. В гидросистеме имеется перепускной клапан, соединяющий обе полости силового цилиндра при неработающем насосе, что уменьшает сопротивление усилителя при повороте управляемых колес автомобиля.

Рассмотрим принцип действия гидроусилителя автомобиля ЗИЛ. При работе двигателя масло от лопастного насоса, имеющего привод от шкива 1 (рис. а), по шлангу высокого давления поступает в корпус распределительного устройства (направление циркуляции рабочей жидкости указано стрелками). При движении автомобиля по прямой золотник 30 находится в нейтральном (среднем) положении. Масло, подаваемое к распределительному устройству, протекает через кольцевые канавки золотника и корпуса золотниковой камеры, а также по шлангу низкого давления и, пройдя через радиатор (охладитель), поступает через сетчатый фильтр 8 в бачок усилителя.

При повороте автомобиля на его управляемые колеса действует момент сопротивления, препятствующий их вращению. Реакция от силы сопротивления (показана жирной стрелкой на рис. б, в) через детали рулевого привода передается на вал сошки 37, зубчатый сектор, рейку и винт 21 рулевого механизма.

При повороте рулевого колеса и автомобиля вправо (см. рис. б) винт, ввинчиваясь в шариковую гайку 23, перемещается на некоторое расстояние также вправо. Вместе с ним смещаются вправо от нейтрального положения золотник и его упорные подшипники 25. Перемещение возможно только в том случае, если действующая по оси винта сила окажется больше усилия сжатия реактивных пружин 33 плунжеров 34 и давления масла, воздействующего на эти плунжеры. При смещении вправо центральный буртик золотника 30 отсоединяет от сливной магистрали правую полость силового цилиндра и обеспечивает ее сообщение с напорной магистралью. Масло, поступая под давлением от насоса в эту полость, способствует перемещению поршня-рейки. Давление масла по обе стороны поршня-рейки неодинаково, поэтому создается дополнительная сила, действующая на поршень-рейку в том же направлении, что и усилие со стороны водителя, и способствующая повороту управляемых колес автомобиля вправо. В то же время проходное сечение, соединяющее левую полость силового цилиндра со сливной магистралью, увеличивается, и жидкость свободно вытесняется из нее в бачок.

Чем больше сопротивление дороги повороту управляемых колес, тем выше давление масла в рабочей полости силового цилиндра. Увеличивается также давление масла на реактивные плунжеры, пружины которых при перемещении золотника дополнительно ужимаются на величину смещения золотника от нейтрали. Возрастает и усилие, с которым золотник стремится вернуться в среднее положение, и, следовательно, увеличивается усилие, необходимое для поворота рулевого колеса. Поэтому у водителя создается соответствующее «чувство дороги». Максимальное усилие на рулевом колесе при работающем усилителе не превышает 100 Н, а при его отказе — 500 Н (обеспечивается только за счет передаточного числа рулевого механизма). Реактивное воздействие усилителя на рулевое колесо, таким образом, тем значительнее, чем больше момент сопротивления повороту управляемых колес автомобиля. Это воздействие проявляется за счет увеличивающегося со стороны плунжеров давления на тот или иной упорный подшипник, поскольку при повышении давления масла реактивные плунжеры стремятся раздвинуться в стороны.

После прекращения вращения рулевого колеса золотник за счет продолжающегося некоторое время (под воздействием давления масла) перемещения поршня-рейки 18 займет нейтральное положение, и усилитель выключится. Масло от насоса будет свободно проходить через золотник и поступать в бачок, а давление в силовом цилиндре уменьшится до необходимого для удержания управляемых колес в повернутом положении.

При повороте рулевого колеса и управляемых колес влево (см. рис. в) золотник переместится также влево (см. рис. в). В этом случае левая полость силового цилиндра соединится с напорной магистралью, а правая — со сливной. Работа усилителя будет аналогичной.

Если насос усилителя не включен или гидросистема не работает (поломка насоса, обрыв шлангов), то рулевой механизм будет работать без гидроусилителя. Для обеспечения работы рулевого механизма в этом случае служит шариковый клапан 29, который при понижении давления в системе соединяет напорную магистраль со сливной. Жидкость свободно перетекает из одной полости силового цилиндра в другую, практически не препятствуя перемещению поршня-рейки.

В качестве преобразователей энергии в гидроусилителях автомобилей применяют насосы лопастного типа двустороннего действия. Насос, как правило, с приводом через клиноременную передачу от шкива на переднем конце коленчатого вала размещается на двигателе автомобиля. В пазы ротора насоса по периферии свободно установлены лопасти 16, торцы которых при вращении ротора плотно прилегают к поверхности статора 6 насоса под действием центробежных сил и давления масла. Масло, оказавшееся в пространстве между соседними лопастями, вытесняется под давлением в полость нагнетания, откуда через отверстия распределительного диска насоса, каналы и специальное калиброванное отверстие поступает в напорный шланг 14 гидроусилителя. Чем выше частота вращения ротора, тем больше подача насоса, т. е. количество масла, поступающего в единицу времени в напорную магистраль.

Рис. Схемы работы гидроусилителя автомобиля ЗИЛ:
а — схема соединения нагнетательного масляного насоса и клапана управления; б, в — схемы работы при повороте автомобиля вправо и влево соответственно; 1 — шкив; 2 — всасывающая магистраль; 3 — полость нагнетания; 4 — пространство между статором и ротором; 5 — ротор; 6 — статор; 7 — бачок; 8 — сетчатый фильтр; 9, 15 — предохранительные клапаны; 10 — трубопровод; 77, 12, 26, 35, 36 — каналы; 13, 30 — золотники; 14 — напорный шланг гидроусилителя; 16 — лопасть; 17 — зубчатый сектор; 18 — поршень-рейка; 19 — наружная полость поршня-рейки; 20 — картер механизма; 21 — винт рулевого механизма; 22 — шарик; 23 — шариковая гайка; 24 — внутренняя полость; 25 — упорный подшипник; 27 — отверстие; 28 — корпус; 29 — шариковый клапан; 31 — гайка; 32 — пружинная шайба; 33 — пружина; 34 — плунжер; 37 — сошка

Часть масла через перепускной клапан (золотник 13) постоянно отводится в сливной бачок 7. Если давление масла превысит 7 МПа, то откроется предохранительный клапан 15 и избыточное количество масла перетечет из напорной магистрали также в бачок. Для фильтрации масла, поступающего в бачок, служит сетчатый фильтр. Помимо него на линии слива установлен фильтр 8 и предохранительный клапан 9, поджатый к фильтру пружиной. Этот клапан срабатывает при засорении фильтра 8 и повышении давления на сливе.

В крышке насоса установлен перепускной клапан, имеющий отверстия для соединения с полостью нагнетания. Клапан работает по принципу разности давления масла на его торцы. При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя разность давлений возрастает, поскольку увеличивается разность давлений масла в полости нагнетания насоса и напорном шланге гидроусилителя.

При избыточной подаче насоса перепускной клапан переместится вправо, сожмет пружину и соединит полость нагнетания через канал 12 с бачком. Пружина предохранительного клапана 15 рассчитана на его открытие при достижении предельного давления рабочей жидкости (масла).

8.2 Назначение и типы усилителей рулевого управления

Назначение усилителя рулевого управления

Габариты и масса легковых автомобилей любых классов со временем только увеличиваются, и применения реечного рулевого механизма часто недостаточно для обеспечения комфортного управления транспортным средством. Единственным верным инженерным решением было внедрение в систему рулевого управления усилителя.

На сегодняшний день существуют два типа усилителей рулевого управления:

Гидравлический усилитель рулевого управления

Система с гидравлическим усилением рулевого управления включает в себя:

  • насос (с расширительным бачком);
  • контрольный клапан;
  • исполнительный механизм;
  • собственно рабочую жидкость.

Насос создает избыточное давление рабочей жидкости в системе. При вращении рулевого колеса контрольный клапан смещается и открывает канал в исполнительный механизм для рабочей жидкости под давлением. В исполнительном механизме находится поршень, связанный через шток (тягу) с рулевой трапецией. Под давлением рабочей жидкости поршень перемещается, создавая дополнительное усилие на рулевом приводе, уменьшая тем самым усилие, требуемое от водителя для вращения рулевого колеса.

В зависимости от того, в какую сторону вращается руль, рабочая жидкость под давлением подается в полость над поршнем или под ним.

Когда рулевое колесо стоит по центру, насос перекачивает рабочую жидкость без нагрузки фактически вхолостую. Как только руль начинает поворачиваться, давление жидкости в системе возрастает и достигает максимума при крайнем (правом или левом) положении рулевого колеса.


Рисунок 8.8 Принципиальная схема системы гидравлического усилителя рулевого управления.


Рисунок 8.9 Рулевой механизм с гидравлическим усилителем.

Внимание
В автомобиле с гидравлическим усилителем рулевого управления запрещается длительное время удерживать руль в одном из крайних положений, так как это может привести к повреждению нагнетательного насоса.

Насос может приводиться ремнем от двигателя или же от отдельного электродвигателя.

Электромеханический усилитель рулевого управления

Гидравлический привод усилителя рулевого управления «привередлив»: необходимо регулярно следить за всеми соединениями, чтобы вовремя обнаружить и устранить утечки рабочей жидкости, кроме того, есть вероятность засорения рабочей жидкости. При необходимости снятия рулевого механизма возникает потребность в сливе рабочей жидкости. А при заправке гидропривода свежей рабочей жидкостью необходимо выполнять операции по удалению воздуха из системы. И совсем другое дело — электромеханический усилитель: нет рабочей жидкости, патрубков, прокачки, и есть электродвигатель и блок управления, контролирующий частоту вращения рулевого колеса. Блок управления также отслеживает скорость автомобиля и углы поворота руля. Блок управления при определенных значениях скорости может посылать сигнал на электромотор с целью «зажимания» или «отпускания» руля.

Читать еще:  Сливной болт охлаждающей жидкости

Примечание
Термины «зажать» и «отпустить» касательно руля появились благодаря журналистам и означают увеличение или уменьшение усилия, требуемого для поворота рулевого колеса, соответственно.

Существует несколько схем установки электромотора усилителя:

  • на рулевой колонке;
  • на валу-шестерне рулевого механизма;
  • на рулевом механизме.

Многочисленные тесты автомобилей с электромеханическим усилителем показали, что наилучшая схема установки электромотора – на рулевом механизме, так как этим достигается наилучшая обратная связь рулевого управления.


Рисунок 8.10 Пример рулевого управления с электромеханическим усилителем на рулевой колонке.

Примечание
Под обратной связью рулевого управления подразумевается связь с дорогой. Ведь, когда мы вращаем руль, колеса поворачиваются, воздействуя таким образом на дорогу, а во время движения на колесо действует множество сил, связанных с его качением. Так вот: передача всех этих сил от дороги на колесо и далее на руль и является обратной связью. Выражается эта обратная связь, в основном, в пропорционально возрастающем усилии на рулевом колесе, которое зависит от угла поворота руля и скорости движения автомобиля. Термин чаще всего применяется для автомобилей с усилителем рулевого управления.

Если на машине с усилителем руля обратная связь отсутствует, значит усилие на рулевом колесе не изменяется в зависимости от угла поворота руля и скорости прохождения автомобилем поворота. Когда автомобиль стоит на месте или двигается медленно, то легкость вращения руля только к лучшему. Однако при маневрировании на скорости отсутствие пропорционально повышающегося усилия на руле может сыграть злую шутку, так как по объективным и субъективным ощущениям тяжело будет выбрать единственно верное положение руля.

Усилитель рулевого управления

Современный автомобиль сложно представить без усилителя рулевого управления. Ведь легкость вращения «баранки» — один из важнейших потребительских параметров. Разные производители предлагают различные варианты усилителей. Чем они отличаются друг от друга?

Первые усилители были использованы серийно в 30-х годах ХХ века на грузовиках. Тогда водитель уже с трудом справлялся с поворотами колес, несмотря на огромный диаметр «баранки», и даже помощнику шофера (тогда существовала и такая должность) помимо обязанностей по обслуживанию автомобиля добавили новую повинность – в крутых виражах он помогал крутить руль. По сути, машиной управляли «в четыре руки».

Пневматический усилитель руля

Поскольку в тормозах работал сжатый воздух, решение лежало на поверхности — сделать усилитель пневматическим. Такие устройства были просты и дешевы, но очень шумны. При этом точно спрогнозировать, насколько надо крутить «баранку», чтобы вписаться в поворот, мог только очень опытный водитель. Дело в том, что пневматика работала по принципу «включено-выключено» — если руль повернуть чуть-чуть, усилитель не работал, на больших же углах «баранка» уже не сопротивлялась вращению, а уже сама рвалась из рук и колеса мгновенно выворачивались полностью. А попадись на дороге яма или выбоина, колеса из-за большой упругости воздуха могли повернуть, куда им вздумается.

Гидравлический усилитель руля

Поэтому в середине столетия воздух сменила жидкость. Гидравлические усилители лишены недостатков предшественника. Приводимый двигателем насос создает необходимое давление. Распределитель, связанный с рулевым валом, отслеживает угол поворота «баранки» и сопротивление на ней, дозируя количество масла, направляемого в дополнительное устройство, которое и поворачивает колеса. Оно может стоять отдельно от рулевого механизма или составлять с ним единое целое. В последнем случае гидроусилитель называют интегральным. Его-то в основном и применяют на легковых автомобилях — от «Лады» до «Мерседеса».

Гидроусилитель еще и сглаживает толчки от неровностей дороги, приходящие на «баранку». При этом «гидравлика» настолько эффективна, что позволяет удержать машину на дороге, даже если вдруг лопнет покрышка и сопротивление на рулевом колесе резко многократно возрастет. Улучшается маневренность — от упора до упора «баранку» крутить надо меньше.

Минусы гидроусилителя вытекают из его сложности. В нем необходимо контролировать уровень жидкости, следить за герметичностью магистралей, менять масло и т.п. Насос усилителя работает постоянно, независимо от того, поворачивает водитель руль или нет. Значит, двигатель теряет впустую ни много ни мало около 7% мощности (для городской микролитражки — существенная цифра). Давление в системе напрямую зависит от оборотов коленвала. Поэтому при маневрах на малых скоростях или при быстром вращении «баранки» производительности насоса не хватает. Руль, как говорится, «закусывает». А на трассе он, наоборот, становится «пустым», теряется «чувство дороги» — ведь при высоких оборотах мотора усилитель работает по максимуму, чтобы решить эту проблему применяют специальные устройства (насос с переменной производительностью, различные клапаны, модуляторы и т.д.), усложняя и удорожая и без того сложный механизм. Кроме того, вся система очень тяжелая. Покупателю это не принципиально, а вот конструктор для сохранения заданных параметров автомобиля (ресурс, максимальная скорость и т.д.) вынужден увеличивать мощность двигателя, усиливать другие элементы, что в свою очередь удорожает машину.

Электрогидроусилитель

Электрогидроусилитель лишен большинства недостатков «чистой» гидравлики. Такие устройства устанавливаются, например, на «Ford Focus» второго поколения. По конструкции электрогидравлический усилитель аналогичен гидравлическому, но только давление в нем создает насос, приводимый не двигателем машины, а собственным электромотором. Его работой руководит электроника. Иногда водитель даже сам может выбрать режим работы. Например, «городской» (руль работает легче) или «движение по трассе» (руль становится «тяжелее», что повышает точность управления на высоких скоростях). Производительность электрогидроусилителя не зависит от оборотов мотора, его мощность теряется только на привод генератора, но масса системы в целом и ее сложность остаются на прежнем уровне. Таким образом, электрогидроусилитель – переходный вариант от гидравлики к электроусилителю.

Электроусилитель руля

Электрический усилитель год от года все популярнее. Им оснащены большинство автомобилей последних моделей. Его конструкция проще, чем у гидро- и электрогидроусилителя — электромотор просто доворачивает рулевой вал.

Электроусилитель компактен и расположен на рулевой колонке. Командует им электронный блок, собирающий и обрабатывающий сигналы от нескольких датчиков (углы и скорости поворотов «баранки», скорость автомобиля, обороты двигателя и т.п.). Такой усилитель в целом легче и проще своих предшественников, не требует обслуживания‚ но усилие на руле многим водителям кажется искусственным. У них возникает ощущение управления автомобилем в компьютерной игре. Тем не менее большинство изготовителей работает над совершенствованием именно этой системы. Ведь кроме всего прочего, электроусилитель позволяет реализовать большинство новомодных функций: автопарковка, удержание машины в своей полосе, а также будущее использование автопилотов. А это значит, что электрические усилители – самые перспективные.

Устройство автомобилей

Усилители рулевого управления

Усилитель рулевого управления служит для создания дополнительного силового воздействия, позволяющего уменьшить прикладываемое к рулевому колесу усилие, необходимое для управления автомобилем, а также для повышения маневренности автомобиля и безопасности движения.

На грузовых автомобилях средней и большой грузоподъемности усилители рулевого управления устанавливают в основном для облегчения управления, а на легковых автомобилях высокого класса, кроме того, для предотвращения потери управляемости автомобилем в случае разрыва шины на высокой скорости.

Требования к усилителям рулевого управления

Поскольку рулевое управление автомобиля относится к наиболеее ответственному элементу системы управления, усилители руля должны не только обеспечивать комфорт и удобство водителя, но и соответствовать условиям безопасности движения. Немаловажными условиями качества гидроусилителей, как элементов конструкции автомобилей, является их долговечность, удобство технического ухода и эксплуатации.

Усилители рулевого управления должны соответствовать следующим основным требованиям:

  • сохранять возможность управления автомобилем и в случае выхода усилителя из строя;
  • не препятствовать стабилизации управляемых колес;
  • обеспечивать следящее действие;
  • поглощать удары и толчки, воспринимаемые автомобилем со стороны дороги и передаваемые на рулевое колесо;
  • иметь высокий КПД и использовать минимальное количество мощности двигателя для своей работы.

Кинематическое следящее действие обеспечивает пропорциональность между угловым перемещением рулевого колеса и углом поворота управляемых колес. Иными словами, каждому фиксированному положению рулевого колеса должно соответствовать определенное положение управляемых колес, а при остановке рулевого колеса в каком-нибудь промежуточном положении поворот управляемых колес также должен прекращаться.

Силовое воздействие обеспечивает пропорциональность между силой, приложенной к рулевому колесу, и силой сопротивления повороту управляемых колес. Силовое следящее действие создает водителю “чувство дороги”.

Усилитель рулевого управления должен включаться при определенном усилии, прикладываемом к рулевому колесу. Это усилие зависит от сил трения в рулевом механизме и типа применяемого центрирующего устройства. Центрирующее устройство обязательно имеется во всех усилителях, так как оно также не позволяет включаться усилителю при незначительных толчках со стороны управляемых колес. В качестве центрирующих и реактивных устройств в усилителях рулевого управления могут применяться пружины, торсионы, плунжеры, реактивные камеры или их комбинации.

Включение усилителя рулевого управления происходит вследствие обратной связи от управляемых колес, осуществляемой с помощью рулевого привода.

Классификация усилителей рулевого управления

На современных автомобилях могут устанавливаться гидравлические, электрические и комбинированные усилители рулевого управления. На выпускаемых ранее грузовых автомобилях некоторых моделей применялись пневматические усилители руля, однако, в настоящее время от таких конструкций отказались из-за ряда недостатков, присущих пневматическим сервоприводам – высокой инертности при срабатывании и неэффективному следящему действию.

В настоящее время на автомобилях наиболее часто применяются гидравлические усилители рулевого управления, которые характеризуются хорошими массогабаритными и динамическими показателями при рабочих давлениях до 15 МПа, небольшим временем срабатывания (0,02…0,05 сек), хорошими демпфирующими свойствами, малой трудоемкостью технического обслуживания.

Читать еще:  Консервация машины на зиму

Электрические усилители отличаются высокой экономичностью, так как энергия потребляется ими только при включении, а также низким уровнем шума, высокими демпфирующими свойствами и быстродействием, легкостью обеспечения переменного реактивного действия в зависимости от скорости движения автомобиля.

Комбинированные усилители рулевого управления в виде электромеханических или электрогидравлических систем устанавливают на многоосных специальных шасси, автопоездах и легковых автомобилях высшего класса. Это перспективные конструкции, сочетающие преимущества гидравлических и электрических усилителей рулевого управления.

Усилители рулевого управления

Усилители предназначены для снижения усилия на рулевом колесе при его повороте и для повышения безопасности движения автомобиля, так как цилиндр усилителя помогает водителю удерживать управляемые колеса автомобиля в заданном положении при действии со стороны дороги неуравновешенных сил, стремящихся повернуть эти колеса в одном направлении. Такие силы появляются при различии сопротивления качению правого и левого колес из-за их попадания на поверхности дороги с различными коэффициентами сопротивления качению (например, одно колесо движется по песку, второе по – асфальту) или в случае прокола одного колеса.

Конструкция усилителя должна удовлетворять ряду требований:

1) обладать следящим действием. Различают кинематическое и силовое слежение. Кинематическое слежение заключается в повороте управляемых колес в соответствии с поворотом рулевого колеса и его направлением. Силовое слежение обеспечивает пропорциональность усилия на рулевом колесе усилию, необходимому для поворота управляемых колес, что способствует более уверенному управлению автомобилем, особенно по скользким дорогам;

2) обеспечивать возможность управления автомобилем в случае выхода усилителя из строя;

3) не допускать включения усилителя от случайных воздействий со стороны дороги при прямолинейном движении автомобиля;

4) иметь высокую чувствительность, которая оценивается углом поворота рулевого колеса, соответствующим повышению давления в системе до максимального;

5) обладать достаточным запасом динамической устойчивости, который выражается в отсутствии автоколебаний управляемых колес.

Усилители состоят из блока питания, распределителя, исполнительного механизма, соединительных трубопроводов и шлангов. Блок питания включает гидронасос с баком, в некоторых конструкциях гидроусилителей дополнительно имеются аккумуляторы энергии. С помощью распределителя осуществляется подвод энергии к исполнительному механизму, который представляет собой один или несколько силовых цилиндров. В них энергия жидкости преобразуется в усилие на штоке, передающееся на управляемые колеса автомобиля. Схема рулевого управления с усилителем показана на рис.12

Рис. 12 Схема рулевого управления с усилителем

При повороте рулевого колеса 13, например, вправо, сошка 12 рулевого механизма 14 повернется по часовой стрелке и сместит золотник 9 распределителя 8 назад по отношению к принятому направлению движения автомобиля. В результате жидкость от насоса 2 подается через распределитель в полость А и силовой цилиндр 7 начинает поворачивать управляемые колеса 4 вправо. Полость Б в это время соединяется также через распределитель со сливной магистралью 1. После прекращения поворота рулевого колеса управляемые колеса вследствие давления рабочей жидкости на поршень цилиндра продолжают поворачиваться вправо. При этом с помощью рычага 5 и тяги 3 корпус распределителя смещается назад и перекрывает поступление жидкости в полость А цилиндра распределителя, в результате чего прекращается поворот управляемых колес. Т.е. управляемые колеса поворачиваются в соответствии с поворотом рулевого колеса (кинематическое слежение). Силовое слежение достигается введением реактивных элементов: камер или плунжеров. На рис. 12 силовое слежение достигнуто с помощью реактивных камер 6 и 10, в которые через калиброванные отверстия поступает жидкость из нагнетательной магистрали и воздействует на правый или левый торец золотника 9 в зависимости от направления поворота. В результате усилие, необходимое для смещения золотника, оказывается зависящим от давления в нагнетательной магистрали 11, которое определяется сопротивлением повороту управляемых колес.

В зависимости от относительного расположения элементов различают 4 схемы компоновки усилителей (рис.13):

Рис.13 Схемы компоновки усилителей

1- распределитель; 2 – силовой цилиндр; 3 – рулевой механизм. При расположении распределителя и силового цилиндра в одном блоке с рулевым механизмом конструкция носит название гидроруля (схема а).

Ее достоинства заключаются в компактности, минимальном числе шлангов и трубопроводов, малой склонности системы к автоколебаниям из-за высокой жесткости гидравлических магистралей, связывающих распределитель с силовым цилиндром. Однако в такой конструкции весь рулевой привод от сошки до управляемых колес нагружается дополнительным усилием, приложенным со стороны цилиндра к валу сошки. Это приводит к увеличению размеров и массы привода. Гидроруль имеет большие габаритные размеры, и это затрудняет его компоновку на автомобиле.

Компоновка усилителя по “схеме б” характеризуется размещением распределителя в одном блоке с рулевым механизмом и автономным расположением цилиндра. Это позволяет устанавливать цилиндр в непосредственной близости от управляемых колес. Достоинства этой схемы заключаются в малой нагруженности привода, малой склонности к автоколебаниям. Расположенный у колес цилиндр воспринимает удары со стороны дороги, предохраняя рулевой механизм от перегрузок.

По “схеме в “ рулевой механизм устанавливается автономно, а распределитель и силовой цилиндр вместе. В этом случае цилиндр нужно располагать в строгом соответствии с расположением рулевого механизма, т.к. шаровой палец сошки должен управлять работой распределителя. Усилители, выполненные по этой схеме, имеют малую склонность к автоколебаниям.

Схема РУ с автономным расположением РМ, силового цилиндра и распределителя (“схема в”) является наиболее гибкой с точки зрения компоновки и унификации элементов. Однако из-за повышенной склонности к автоколебаниям, увеличенного числа и длины трубопроводов применяется сравнительно редко.

Характеристика усилителя зависит от конструкции распределителя. Распределители бывают:

1) открытого и закрытого типов. В первом случае ширина кромок золотника меньше ширины соответствующих отверстий в корпусе. В результате при прямолинейном движении автомобиля нагнетательная и сливная магистрали распределителя оказываются связанными с рабочими полостями цилиндра. Поскольку насос усилителя работает постоянно, жидкость непрерывно циркулирует через распределитель. В распределителях второго типа в нейтральном положении золотника все магистрали перекрыты. Жидкость к распределителю подводится от гидроаккумулятора. Насос усилителя включается периодически и служит для подзарядки гидроаккумулятора. Такая система позволяет использовать насос с меньшей подачей и снизить затраты на его привод;

2) с осевым или угловым перемещением золотника. В настоящее время наибольшее распространение получили распределители первого типа. Распределители с угловым перемещением золотника имеют высокую чувствительность и отличаются простотой привода;

3) с реактивными элементами и без них

4) с самоустанавливающимся золотником или с его центрированием при помощи упругих элементов (пружин, торсиона). В первом случае центрирование осуществляется за счет действия жидкости на реактивные элементы, во втором – при смещении золотника возникает сила со стороны упругих элементов, стремящихся вернуть золотник в нейтральное положение.

Наибольшее распространение получили распределители трех типов: с реактивными плунжерами и центрирующими предварительно сжатыми пружинами (тип А); с реактивными камерами и самоустанавливающимся золотником (тип Б); без реактивных элементов с центрирующими предварительно сжатыми пружинами (тип В).

Рис.14 Распределитель типа В (МАЗ-525)

Наиболее простым является распределитель типа В (рис.14), обеспечивающий только кинематическое слежение:

Золотник 2 перемещается относительно гильзы 1 с помощью шарового пальца 4, соединенного с сошкой РМ. Для этого надо преодолеть усилие установленной с предварительным натягом пружины 3. При этом нагнетательная магистраль Н соединяется с одной из полостей силового цилиндра, а сливная С – с другой. При отпускании РК пружина возвращает золотник в среднее положение, в котором нагнетательная и сливная магистраль соединены между собой и с рабочими полостями цилиндра. Для снижения гидравлических потерь при неработающем насосе в корпус распределителя встроен шариковый клапан, через который при повороте жидкость перетекает из одной полости цилиндра в другую.

Рис. 15 Распределитель типа. Б, выполненный в одном блоке с силовым цилиндром (МАЗ – 500)

Пальцы 5 и 4 крепятся соответственно к сошке и продольной тяге, а корпус 3 – к корпусу цилиндра, шток которого закреплен на левом лонжероне рамы. Палец 5 сошки может смещать золотник 1 в осевом направлении с помощью стакана 2 и тяги 6 на величину зазора д. Реактивные площади золотника выполняются пропорциональными рабочим площадям силового цилиндра справа и слева от поршня. Вследствие этого золотник при прямолинейном движении автомобиля несколько смещен от среднего положения в сторону с реактивной камеры с меньшей площадью. Это обуславливает равенство сил, действующих на поршень справа и слева при различных давлениях жидкости.

Из-за отсутствия центрирующих упругих элементов усилие, необходимое для смещения золотника относительно среднего положения, незначительно. Из-за этого данный распределитель имеет повышенную чувствительность к воздействиям со стороны дороги. Этот недостаток устранен в распределителях типа А. В них обеспечивается равенство давлений в рабочих полостях цилиндра. Поскольку активная площадь поршня со стороны штока меньше, при прямолинейном движении создается небольшая сила, стремящаяся повернуть управляемые колеса в одну сторону. Момент на рулевом колесе от действия реактивных элементов распределителя может достигать 1/3 момента сопротивления повороту колес. Чтобы сохранить следящее действие по усилию и не допускать чрезмерного усилия на рулевом колесе, в некоторых усилителях вводят устройства, ограничивающие реактивное действие распределителя.

Рис.16 Гидроруль (КамАЗ)

Рис.16: нагнетательная магистраль соединена с полостью. А между реактивными плунжерами 1 и 3. Максимальное осевое смещение золотника из среднего положения составляет 1.1 мм. Если повернуть колесо на некоторый угол, например, вправо, винт 5 повернется по часовой стрелке, стремясь переместить вправо поршень-рейку 4. При неподвижных управляемых колесах винт вывернется из неподвижной гайки и сместит золотник из среднего положения влево. Для смещения золотника 6 необходимо дополнительно сдвинуть влево плунжеры 3, на которые действуют силы пружин 2 и давление жидкости, стремящиеся вернуть золотник в среднее положение.

Рис.17 Распределитель усилителя рулевого управления, предназначенный для перспективных автомобилей МАЗ

Рис.17: в распределителе, расположенном в одном корпусе с РМ, винт 5, установленный в радиально-упорных подшипниках, не имеет осевого перемещения. При повороте РК винтовая втулка 3 с закрепленным на ней золотником 2 перемещается в осевом направлении, в результате чего усилитель начинает работать. Смещение золотника определяется угловым зазором в шлицевом соединении вала 4 и винта 5. Для удержания золотника в среднем положении имеется торсион 1, соединяющий вал и винт.

Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector