Практически все автомобили сегодня оснащаются гидравлическими усилителями рулевого управления (аббревиатура GST). Этот механизм позволяет водителю значительно снизить усилия, необходимые для управления автомобилем, тем самым повышая комфорт вождения.
Изначально GST устанавливалась только на грузовики и автомобили специального назначения, поскольку сопротивление изменению положения колес, особенно на малых скоростях в этих автомобилях, очень велико, и водитель просто не мог повернуть управляемые колеса без приложения значительного усилия.
Система рулевого управления автомобиля
Сегодня рулевые механизмы устанавливаются и на легковые автомобили. Усилие, необходимое для поворота колес, не очень велико, и управление автомобилем без рулевого устройства не вызывает никаких проблем. Другими словами, этот механизм не особо нужен, но у него есть одна очень положительная особенность, благодаря которой в большинстве случаев этот усилитель получил широкое распространение в автомобилях. Все сводится к тому, что CPS позволяет автомобилю продолжать прямолинейное движение в случае прокола шины ведущей оси, не забывая о человеческом стремлении к максимальному комфорту.
Составные части усилителя. Виды ГУР
Вообще говоря, главная задача силового агрегата легкового автомобиля — повышение безопасности, за которой следует комфорт.
Устройство гидроусилителя руля включает в себя несколько основных компонентов:
- насос;
- дистрибьютор;
- силовой цилиндр;
- соединительные трубки.
Компоненты усилителя рулевого управления
Используются два типа систем гидроусилителя руля:
- Комбинированный (интегрированный).
- Сплит.
Комбинированный усилитель рулевого управления характеризуется тем, что распределитель и привод интегрированы в рулевой механизм, что значительно уменьшает объем металла и делает конструкцию более компактной. Это привело к его широкому использованию даже в легковых автомобилях.
Тип Split использовался на многих грузовиках. Его особенность заключается в том, что привод является отдельным компонентом, который соединен с приводом рулевого управления. Однако из-за этого решения конструкция рулевого управления стала более громоздкой, поэтому оно не используется в легковых автомобилях.
Насос
Из названия бустера понятно, что основным рабочим элементом в этом механизме является жидкость. Поскольку она несжимаема, для выполнения требуемой функции можно получить силу, создающую давление.
И это давление создается насосом. В более простой схеме насос приводится в действие ремнем от коленчатого вала. Этот элемент конструкции может быть зубчатым (менее распространенный тип) или роторным (он же лопастной). Второй вариант наиболее часто используется в автомобилях.
Конструкция насоса гидроусилителя руля роторного типа очень проста. Его основными компонентами являются корпус с входным и выходным патрубками и вал с приводным колесом на одном конце и лопастным рабочим колесом на другом. Этот ротор помещен в камеру специальной формы — статор (который является корпусом). Такая форма статора обеспечивает нагнетание жидкости под давлением и ее последующий сброс в выходное отверстие, ведущее к коллектору.
Лопастной насос с отбором мощности
Недостатком насоса с приводом от коленчатого вала является изменение давления в зависимости от частоты вращения двигателя. Это приводит к недостаточной мощности на низких оборотах и избыточной мощности на высоких оборотах, в результате чего возникает эффект «полого рулевого управления» (обратная связь отсутствует, поэтому информативность рулевого управления очень низкая).
Принцип работы шестеренчатых и центробежных насосов
Чтобы устранить этот недостаток, в конструкцию насоса гидроусилителя руля встроен регулятор давления, который поддерживает заданное значение. Его функция проста — если давление слишком высокое, регулятор перемещается, открывая байпас между портами подачи и возврата, и часть давления сбрасывается.
Распределитель
Давление жидкости, создаваемое насосом, подается на распределительный клапан. Функция этого компонента заключается в распределении потока жидкости в зависимости от положения рулевого колеса. Направленный коллектор является наиболее распространенным в легковых автомобилях. Коллектор является связующим звеном между валом колонки и рулевым механизмом.
Конструкция коллектора рулевой колонки
Распределитель состоит из двух компонентов — вала и золотника. Эти компоненты установлены на твистлоке, который соединяет вал колонки с шестерней.
Коллектор оснащен входным патрубком насоса, обратным патрубком (через который жидкость подается обратно в насос) и двумя выходами, ведущими к приводу.
Рабочая схема распределителя
Суть работы коллектора заключается в следующем: при вращении колес сопротивление колес вызывает кручение, которое, в свою очередь, обеспечивает вращение золотника относительно вала коллектора. В результате один канал открывается, а другой закрывается, т.е. происходит перераспределение потока жидкости.
Цилиндр
Привод выступает в качестве исполнительного элемента. В комбинированном рулевом механизме он полностью интегрирован в рулевой механизм. Рулевая рама выполняет роль поршня, который дополнительно имеет шайбу с уплотнениями, а цилиндр — корпус. Поршень делит цилиндр на две камеры, которые соединены трубопроводами с распределителем.
Принцип работы
Теперь о том, как все это работает вместе. Система рулевого управления представляет собой герметичный механизм, внутри которого циркулирует жидкость. Но при определенных условиях количество жидкости колеблется, поэтому эти колебания компенсируются расширительным бачком (он же заправочный бак). Этот резервуар обычно расположен на насосе, но может быть и удаленным.
В основном существует два режима работы:
- Прямолинейная эксплуатация. В этом режиме катушка соединяет все каналы, поступающие в нее. Жидкость в распределителе сразу же поступает в обратку и возвращается в насос. Кроме того, часть его поступает в обе камеры питающего цилиндра, обеспечивая в них одинаковое давление;
- Вращение. При повороте рулевого колеса оно крутится, заставляя золотник перемещаться относительно вала. Например, рассмотрим действие механизма при вращении по часовой стрелке. То есть, золотник закручивается, вызывая соединение канала подачи и подачу гидроцилиндра в нужную камеру. Одновременно левая камера соединяется с камерой возврата. Поток жидкости в правой камере начинает оказывать давление на поршень, вызывая увеличение силы. Из левой камеры жидкость через распределительный клапан поступает в насос, поэтому давление на насос отсутствует. Поворот развивается, если рулевое колесо повернуть не до конца, а только частично и оставить в таком положении. В результате золотник возвращается в исходное положение — все каналы соединяются, давление в камерах привода выравнивается, но уже с учетом текущего положения поршневой стойки.
Работа системы гидроусилителя руля с клапаном Servotronic (стандартные системы отличаются только отсутствием дроссельного клапана и Servotronic)
При повороте налево действие распределителя противоположно описанному. То есть, жидкость под давлением подается в камеру левого цилиндра. Как видно, распределитель отвечает за большую часть работы рулевого управления.
Положительные и отрицательные качества
Некоторые положительные особенности использования гидроусилителя руля в конструкции рулевого управления уже были упомянуты, но есть и другие. В целом, преимущества включают:
- Повышенная безопасность (гидроусилитель руля помогает удерживать автомобиль под контролем в случае прокола шины во время движения);
- Уменьшение усилий, необходимых для выполнения или поддержания маневра;
- Изменение коэффициента управляемости (для поворота колес на заданный угол требуется меньше оборотов рулевого колеса, чем в механизме без рулевого управления);
- Комфортное управление автомобилем.
Недостатков у гидроусилителя руля меньше, но они довольно существенны:
- Гидроусилитель руля — это дополнительный механизм, который конструктивно сложен и требует обслуживания;
- Некоторые компоненты очень чувствительны к частицам грязи, поэтому нарушение принципов эксплуатации может привести к их повреждению;
- Насос, приводимый в действие коленчатым валом, «берет на себя» часть мощности двигателя;
- Усилитель руля работает только при работающем двигателе.
Стоит отметить, что благодаря установке распределителя в рулевом механизме можно продолжать движение даже в случае выхода из строя одного из компонентов рулевого механизма или декомпрессии. В любом случае торсион будет передавать вращение от вала колонки к шестерне механизма, поэтому автомобиль по-прежнему будет рулить, но усилие на рулевом колесе увеличится.
Другим недостатком такого механизма является его зависимость от вращения коленчатого вала. Решением этой проблемы и следующим этапом в развитии гидравлического усилителя руля стал электрогидравлический усилитель руля.
Его особенность в том, что он приводится в действие отдельным электродвигателем, который входит в конструкцию насоса. Это не только позволяет поддерживать давление на требуемом уровне при любых условиях работы двигателя, но и обеспечивает работу гидравлического управления даже при неработающем двигателе.
Кроме того, электрогидравлический усилитель руля управляется ЭБУ. Другими словами, механизм адаптируется к конкретным условиям движения, создавая оптимальное усилие на руле и предоставляя точную информацию — «обратную связь». Для этого ЭБУ собирает данные с ряда датчиков, на основе которых управляет насосом и распределителем.
Хотя система рулевого управления с усилителем конструктивно сложнее других систем рулевого управления, она лучше благодаря обратной связи, поэтому используется чаще.
