2258

рабочие площади поршней силовых цилиндров, что неизменно приводило к увеличению габаритов усилителей.

Гидравлические усилители (ГУР)

Гидравлические усилители представляют собой гидравлическую схему, в которой источником давления жидкости является насос, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания. Рабочая жидкость под давлением поступает в распределитель, после чего направляется в одну из двух полостей и воздействует на поршень. Поршень перемещаясь оказывает дополнительное воздействие на рулевую рейку или поворотную цапфу. Таким образом снижается величина усилия со стороны водителя, требуемая для поворота колес

[4].

Одно из важнейших требований, предъявляемых к усилителю – это точная дозированная помощь в повороте рулевого колеса, для этого используют распределитель, включающий в свой состав следящее устройство. Основным элементом следящего устройства является винт или торсион.

Винт жестко связан с золотником и при отсутствии воздействия с помощью центрирующих пружин занимает среднее положение. При повороте рулевого колеса винт перемещается, а вместе с ним перемещается золотник, который перекрывает подачу рабочей жидкости к одной из полостей силового цилиндра, при этом вторая полость по прежнему сообщается с нагнетающей магистралью и оказывает дополнительное воздействие на рулевой механизм, помогая водителю поворачивать колеса.

Торсион встраивается в разрез рулевого вала и при отсутствии воздействия находится в незакрученном состоянии. При повороте торсион закручивается тем сильнее, чем больше усилие на рулевом колесе. Происходит перекрытие подачи рабочей жидкости в одну из полостей силового цилиндра. В остальном принцип действия аналогичен предыдущей конструкции.

Гидравлический насос предназначен для подачи рабочей жидкости под давлением. Наибольшее распространение получили пластинчатые насосы, приводимые в действие клиноременной передачей от коленчатого вала двигателя. Давление, создаваемое насосом, для разных автомобилей варьируется в широком диапазоне от 0,8 до 10 МПа, а иногда может достигать 15 МПа. Функционирование гидравлического усилителя рулевого управления подразумевает

22

постоянную работу гидравлического насоса, что приводит к дополнительному расходу топлива.

К достоинствам этого усилителя относятся:

-широкий спектр применения (от легковых автомобилей до тяжелых грузовых автомобилей);

-наличие самовозврата рулевого колеса при выходе из поворота;

-хорошо изученная и проработанная технология в связи с большим опытом промышленного производства.

Вто же время гидравлический усилитель обладает рядом недостатков, которые уменьшают его применение на современных автомобилях:

- дополнительный расход топлива, связанный с постоянной работой гидравлического насоса; - наличие эксплуатационной жидкости, которую после

определенного пробега необходимо заменять; - трудности эксплуатации усилителя в зимнее время;

- невозможность регулирования компенсационного усилия, в зависимости от скорости движения автомобиля.

Вотношении последнего недостатка следует отметить, что с увеличением скорости движения автомобиля усилие, необходимое для поворота рулевого колеса уменьшается, так как уменьшаются сцепные свойства между колесами и дорожным полотном. При этом усилие, прикладываемое к рулевому колесу водителем, должно возрастать, что обеспечит лучшее «чувство дороги». В основном этого добиваются снижением давления в нагнетающей части усилителя, путем регулирования давления или уменьшением частоты вращения приводного вала насоса.

Электрогидравлические усилители (ЭГУР)

Данный тип усилителя не получил широкого применения в связи с появлением электромеханических усилителей. Но в то же время он обладает рядом преимуществ перед традиционным гидравлическим усилителем.

Принцип работы электрогидравлического усилителя отличается от описанного выше тем, что насос усилителя приводится в действие не от двигателя внутреннего сгорания, а от электродвигателя, питаемого от бортовой сети автомобиля.

Электродвигатель и гидравлический насос функционируют только при повороте рулевого колеса, что приводит к снижению потребления

23

топлива, по сравнению с традиционным гидравлическим усилителем. Описанная особенность является достоинством усилителя, поскольку позволяет обеспечить увеличение усилия со стороны водителя при повышении скорости автомобиля.

Электрогидравлические усилители обладают достаточно высокой инерционностью. Так, при резком рывке руля или наезде колесом на препятствие электродвигатель не сможет мгновенно поднять давление и производительность насоса, что неизменно приведет к созданию недостаточного компенсирующего момента; поворот или удержание рулевого колеса будет осуществляться в основном за счет усилия водителя.

Так же к недостаткам следует отнести:

-сложную конструкцию;

-повышенную стоимость по сравнению с гидравлическим усилителем;

-наличие эксплуатационной жидкости, которую после определенного пробега необходимо заменять;

-трудности эксплуатации усилителя в зимнее время.

Электромеханические усилители (ЭМУР)

В настоящее время этот вид усилителей получает наибольшее распространение за счет преимуществ перед гидравлическими усилителями [10].

Вспомогательное усилие формируется электромеханичеким приводом, который представляет собой либо дополнительный механизм, встраиваемый в рулевое управление, либо узел, разрывающий механическую связь между рулевым колесом и управляемыми колесами. Первая конструкция считается традиционной, вторая находится на стадии разработки и испытаний.

Традиционные электромеханические усилители, в зависимости от места размещения в системе рулевого управления, можно разделить на усилители реечной передачи и усилители рулевой колонки. Первые, как правило, сложнее и требуют уже на этапе проектирования автомобиля выделения некоторой части подкапотного пространства. Усилители рулевой колонки обычно проектируются уже для готового автомобиля и могут размещаться в зоне рулевого вала салона автомобиля; эта зона имеет достаточное количество неиспользуемого пространства. Кроме этого, такое размещение значительно снижает

24

требования к рабочему температурному режиму, пылезащищенности и влагостойкости усилителя.

Взависимости от конструкции электромеханичекого привода усилители можно разделить на редукторные и безредукторные.

Вредукторном ЭМУРе исполнительный электродвигатель через редуктор, обычно червячную передачу, связан с рулевым механизмом.

Втаких конструкциях необходимо обеспечение значительной частоты вращения ротора электродвигателя, но при этом снижаются требования к развиваемому усилию.

Безредукторный усилитель имеет более простую конструкцию и как следствие обладает высокой надежностью в дополнение к улучшенным динамическим качествам. Скорость реакции усилителя, при смене направления вращения рулевого колеса, а также скорость поворота управляемых колес может значительно превышать величину на редукторном электромеханическом усилителе. Основной проблемой при создании безредукторных усилителей является использование электродвигателей специального исполнения, развивающих значительное усилие (момент) на низких скоростях вращения.

Принцип работы электромеханического усилителя рулевого управления выглядит следующим образом.

Питание усилителя на всех режимах осуществляется от бортовой сети автомобиля по силовым проводам. Ток, потребляемый усилителем в режиме «компенсации», то есть когда электродвигатель создает дополнительное усилие, помогающее водителю, может достигать значительной величины (55 А и выше), в связи с чем на большинстве автомобилей работа ЭМУРа на неработающем двигателе невозможна или ограничена, с целью предотвращения чрезмерного разряда аккумуляторной батареи.

Работой усилителя управляет контроллер. Поворот ключа в замке зажигания активирует контроллер, который в свою очередь запускает операции инициализации и поиска ошибок. Обнаружение на данном этапе каких-либо неисправностей влечет за собой переход усилителя в режим «отказа» и помощь водителю в управлении автомобилем будет отсутствовать. После получения тахометрического сигнала, определяющего устойчивую работу двигателя автомобиля, контроллер переключает усилитель в основной рабочий режим – режим «компенсации».

Врежиме «компенсации» контроллер постоянно получает данные от датчика момента, встроенного в разрез рулевого вала и датчика

25

положения ротора электродвигателя. Обрабатывая эти данные совместно, усилитель получает информацию о величине и направлении прикладываемого водителем усилия. В соответствии с этой информацией контроллер формирует силовой управляющий сигнал, подаваемый в статор электродвигателя.

Зависимость выходного компенсирующего момента от входного управляющего момента обычно задается таким образом, чтобы независимо от типа дорожного покрытия водителю достаточно было прикладывать усилие к рулевому колесу не более определенного комфортного минимума (5 - 7 Н·м).

Как уже отмечалось ранее, с увеличением скорости движения автомобиля снижаются сцепные свойства между колесами и дорожным покрытием, следовательно, необходимо уменьшить величину компенсирующего усилия со стороны усилителя, для создания «тяжелого руля» и обеспечения «чувства дороги». Выполнение этого требования осуществляется за счет получения контроллером данных о скорости движения автомобиля через отдельный вход. С ростом скорости величина компенсирующего момента уменьшается. Зависимость компенсирующего момента от скорости автомобиля не является линейной и в большинстве случаев определяется экспериментально для конкретной марки автомобиля.

Достоинствами электромеханического усилителя являются:

-компактность и простота конструкции;

-высокая надежность;

-небольшой дополнительный расход топлива на привод усилителя (по сравнению с ГУР).

К недостаткам относят: сложности в обслуживании и ремонте, необходимость использования специального оборудования, а также ограниченный диапазон развиваемых компенсирующих моментов (обычно не более 35 Н·м).

Таким образом, можно сделать вывод, что из представленных конструкций усилителей наиболее эффективным является электромеханический безредукторный усилитель.

Основными направлениями научных разработок в области конструирования рулевых управлений являются совершенствование алгоритма работы контроллера и учет большего числа показателей, влияющих на безопасность движения.

26

Усилители рулевого управления серийно стали устанавливаться на автомобили ЗИЛ-130 (ранее ЗИС-125) с 1957 года автозаводом имени И.А. Лихачева [9].

Гидравлический усилитель интегрального типа (рис. 1) представляет собой единый агрегат, в котором объединены вместе рулевой механизм, гидравлический распределитель и силовой цилиндр.

3

2

1

Рис. 1. Общее устройство рулевого управления ЗИЛ-431410: 1 – гидравлический усилитель; 2 – насос усилителя; 3 – бачок

Рулевой механизм типа винт-рейка выполнен в виде винта, шариковой гайки, поршня-рейки и зубчатого сектора. Передаточное число механизма 20,0.

Насос усилителя – лопастной. Приводится в действие от коленчатого вала двигателя клиноременной передачей через шкив, закрепленный на его валу.

Ограничение подачи рабочей жидкости в гидравлический усилитель осуществляется перепускным клапаном, установленным в насосе.

Ограничение максимального давления в системе производится предохранительным клапаном, установленным внутри перепускного

27

клапана насоса. Предохранительный клапан срабатывает при давлении

6,5-7,0 МПа.

Теоретические положения

Усилитель собран в чугунном корпусе рулевого механизма, являющимся одновременно и силовым цилиндром (рис. 2).

Вкорпусе силового цилиндра 2 установлен поршень-рейка 4 с чугунными уплотнительными кольцами 3 и с изготовленной на нем зубчатой рейкой. Поршень-рейка находится в зацеплении с зубчатым сектором 25, выполненным как одно целое с валом рулевой сошки 26. Вал рулевой сошки установлен в корпусе на бронзовых втулках. Зазор

взацеплении регулируется смещением вала сошки при помощи специального винта.

Впоршне с помощью стопорного винта закреплена шариковая гайка 6, которая через шарики 8 связана с винтом 5 рулевого механизма. Крайние канавки в шариковой гайке соединены между собой трубкой 7, при этом шарики перемещаются по замкнутому контуру (рис. 3). Такое соединение винта и гайки на перемещающихся шариках обладает малым трением и повышенной долговечностью. В соединении винта и шариковой гайки применена левая резьба.

На винте рулевого механизма (см. рис. 2) между упорными шариковыми подшипниками 11 и 15 установлен золотник 12, находящийся в корпусе гидравлического распределителя 14. Золотник зажат между подшипниками с помощью гайки 16. Подшипник включает в свой состав два кольца, внутреннее кольцо (размещено ближе к золотнику) большего диаметра, основная функция – ограничивать ход золотника и внешнее кольцо, являющееся упорным.

Винт 5 и закрепленный на нем золотник удерживаются в среднем положении (при отсутствии воздействия со стороны водителя и дороги) с помощью шести пар реактивных плунжеров. Каждая пара реактивных плунжеров 20, 22 разжимается центрирующей пружиной 21. Золотник может перемещаться в осевом направлении на 1,1 мм в каждую сторону, вследствие разности его длины и корпуса распределителя 14. На золотнике 12 имеются три пояска и две канавки, а в корпусе распределителя – три окна в виде кольцевых канавок. Таким образом, в корпусе распределителя образуются две камеры, левая камера соединена каналом с полостью Б, а правая камера с полостью А. Рабочая жидкость – масло, от насоса под давлением

28

поступает к корпусу распределителя по трубопроводу (нагнетающая магистраль) в среднее окно (рис. 4).

29