Принцип работы рулевой рейки с гидроусилителем основан на кратковременном воздействии давления, создаваемого насосом на цилиндр, который смещает рейку в нужном направлении, помогая водителю управлять автомобилем. Поэтому автомобили с ГУР намного комфортнее, особенно при маневрировании на малой скорости или движении в сложных условиях, ведь такая рейка берет на себя большую часть нагрузки, необходимой для поворота руля, а водитель только отдает ей команды, не теряя отзыв с дороги.
Рулевая рейка в отрасли пассажирского транспорта давно вытеснила другие виды подобных устройств благодаря своим техническим характеристикам, о которых мы рассказывали здесь (Как работает рулевая рейка). Но несмотря на простоту конструкции, принцип работы рулевой рейки с гидроусилителем, то есть гидроусилителя, до сих пор остается непонятным для большинства автовладельцев.
Развитие рулевого управления – краткий обзор
С момента появления первых автомобилей в основе рулевого управления лежит редуктор с большим передаточным числом, который по-разному поворачивает передние колеса автомобиля. В основном это была колонка с прикрепленными к днищу сошками, поэтому пришлось использовать сложную конструкцию (трапецию) для передачи усилия смещения на поворотные кулаки, к которым болтами крепились передние колеса. Потом изобрели рейку, еще и редуктор, который без дополнительных конструкций передавал крутящий момент на переднюю подвеску, и вскоре этот тип рулевого механизма повсеместно заменил колонку.
Однако главный недостаток, вытекающий из принципа действия этого устройства, не удалось преодолеть. Увеличение передаточного числа позволяло без труда поворачивать рулевое колесо, также называемое штурвалом или рулевым колесом, но заставляло несколько оборотов переводить поворотный кулак из крайнего правого положения в крайнее левое или наоборот. Уменьшение передаточного отношения сделало рулевое управление более острым, ведь машина сильнее реагировала даже на небольшой сдвиг руля, но управление таким автомобилем требовало большой физической силы и выносливости.
Попытки решить эту проблему предпринимались с начала 20 века, и некоторые из них были связаны с гидравликой. Сам термин «гидравлика» произошел от латинского слова hydro (гидро), что означало воду или некое жидкое вещество, сравнимое по своей текучести с водой. Но до начала 50-х годов прошлого века все ограничивалось экспериментальными образцами, которые не могли быть запущены в серийное производство. Прорыв произошел в 1951 году, когда компания Chrysler представила первый серийный гидроусилитель руля (ГУР), работавший совместно с рулевой колонкой. С тех пор общий принцип работы гидравлической рулевой рейки или колонки остался неизменным.
Первый ГУР обладал серьезными недостатками, он:
- сильно нагружал двигатель;
- усиливал поворот руля только на средних или высоких оборотах;
- на больших оборотах двигателя создавал избыточное давление (напор) и, водитель терял связь с дорогой.
Поэтому нормально работающий гидроусилитель появился лишь на рубеже XXI, когда основным рулевым механизмом уже стала рейка.
Как работает гидроусилитель
Чтобы понять принцип работы гидравлической рулевой рейки, необходимо рассмотреть входящие в нее элементы и выполняемые ими функции:
- насос;
- редукционный клапан;
- расширительный бачок и фильтр;
- цилиндр (гидроцилиндр);
- распределитель.
Каждый элемент является частью гидроусилителя, поэтому правильная работа ГУР возможна только тогда, когда все компоненты четко выполняют свою задачу. В этом видео показан общий принцип работы такой системы
https://www.youtube.com/embed/TqzObXmcwJg
Насос
Задачей этого механизма является постоянная циркуляция жидкости (гидравлического масла, ATP или ATF) через систему гидроусилителя с определенным давлением, достаточным для поворота колес. Насос гидроусилителя соединяется ремнем со шкивом коленчатого вала, но если автомобиль оснащен электрогидроусилителем, то работа обеспечивается отдельным электродвигателем. Производительность насоса подобрана так, что даже на холостом ходу он обеспечивает вращение машины, а избыточное давление, возникающее при увеличении скорости, компенсируется редукционным клапаном.
Насос ГУР делают двух типов:
- пластинчатый;
- шестеренчатый.
Вне зависимости от типа, насос гидроусилителя руля работает по принципу привода колеса старого парохода. Пластинчатый более сложен в изготовлении, но с его помощью можно изменять производительность и давление, создаваемое этим устройством, за счет разного удлинения пластин гребного винта, что немаловажно на машинах, оснащенных сложной системой электронного усилителя руля. Шестеренчатый насос, с другой стороны, представляет собой обычный масляный насос, в котором зубья шестерни перемещают гидравлическую жидкость к выпускному отверстию, а производительность и создаваемое давление зависят только от частоты вращения двигателя.
На легковых автомобилях с гидравлической подвеской один насос обеспечивает работу обеих систем — гидроусилителя руля и подвески, но работает по одному принципу. Отличается от обычного только повышенной мощностью.
Редукционный клапан
Эта часть гидроусилителя работает по принципу перепускного клапана, который состоит из запорного шарика и пружины. Во время работы насос ГУР создает циркуляцию жидкости с определенным давлением, ведь его производительность выше, чем расход шлангов и других элементов. По мере увеличения оборотов двигателя увеличивается давление в системе гидроусилителя руля, воздействующее через шарик на пружину. Жесткость пружины выбирают такой, чтобы клапан открывался при определенном давлении, а диаметр каналов ограничивал его поток, чтобы срабатывание не приводило к резкому падению давления. При открытии клапана часть масла уходит в обход системы, что стабилизирует давление на нужном уровне.
Несмотря на то, что редукционный клапан установлен внутри насоса, он является важным элементом гидроусилителя, поэтому находится в одном ряду с другими механизмами. Его неисправность или неправильная работа ставит под угрозу не только гидроусилитель руля, но и безопасность дорожного движения, при обрыве питающей магистрали из-за избыточного гидравлического давления или возникновении течи изменится реакция автомобиля на поворот руля, а неопытный человек за рулем колесо не рискует иметь дело с управлением. Поэтому блок рулевой рейки с гидроусилителем подразумевает максимальную надежность как всей конструкции в целом, так и каждого отдельного элемента.
Расширительный бачок и фильтр
Во время гидроусилителя руля гидравлическая жидкость принудительно циркулирует через систему гидроусилителя руля и подвергается воздействию давления, создаваемого насосом, что приводит к нагреву и расширению масла. Расширительный бак берет избыток этого материала, благодаря чему объем в системе всегда одинаков, что исключает скачки давления, вызванные тепловым расширением. Нагрев АТФ и износ трущихся элементов приводят к появлению в масле металлической пыли и других примесей. Попадая в катушку, она же трамблер, этот мусор забивает отверстия, мешает работе гидроусилителя руля, что негативно сказывается на управляемости автомобиля. Во избежание такого развития событий в ГУР встроен фильтр, удаляющий из циркулирующей гидравлической жидкости различный мусор.
Цилиндр
Эта часть гидроусилителя представляет собой трубку, внутри которой находится часть рейки с установленным на ней гидропоршнем. По краям патрубка установлены сальники для предотвращения выхода АТФ при повышении давления. При попадании масла в соответствующую часть цилиндра по патрубкам поршень движется в обратном направлении, толкает рейку и через нее воздействует на направляющие штоки и направляющие кулаки.
Благодаря такой конструкции ГУР поворотные кулаки начинают смещаться еще до того, как ведущая шестерня переместит рейку.
Распределитель
Принцип работы рулевой рейки с гидроусилителем заключается в кратковременной подаче гидравлической жидкости в момент поворота руля, из-за этого рейка придет в движение еще до того, как водитель приложит серьезное усилие. Такая кратковременная подача, а также отвод лишней жидкости из гидроцилиндра обеспечивается распределителем, который часто называют змеевиком.
Чтобы понять принцип работы данного гидроагрегата, необходимо не только рассмотреть его в разрезе, но и более полно проанализировать взаимодействие с остальными элементами ГУР. Пока положение руля и поворотных кулаков соответствует друг другу, распределитель, также известный как катушка, блокирует поступление жидкости в цилиндр с каждой стороны, так что давление внутри обеих полостей одинаково, и это не влияет на направление вращения колес. При повороте руля водителем малый коэффициент редукции рулевой рейки не позволяет ему быстро поворачивать колеса, не прикладывая значительных усилий.
Задачей распределителя ГУР является подача АТФ к гидроцилиндру только тогда, когда положение руля не соответствует положению колес, то есть когда водитель поворачивает руль, первым действует распределитель и заставляет цилиндр воздействовать на поворотные кулаки подвески. Такое воздействие должно быть кратковременным и зависеть от того, насколько сильно водитель повернул руль. То есть сначала гидроцилиндр должен крутить колеса, а потом водитель, такая последовательность позволяет прикладывать минимальные усилия для поворота, но при этом «чувствовать дорогу».
Когда машина наезжает на какую-нибудь кочку, переднее колесо хоть немного меняет направление вращения, что приводит к удару о рельс. Если такой толчок достаточно силен, чтобы преодолеть жесткость торсиона, происходит рассогласование, а значит, часть ATF поступает с противоположной стороны гидроцилиндра, что в значительной степени компенсирует такой рывок и руль не вылетает из рук водителя. При этом он чувствует движение через руль и понимает, что машина проехала неровный участок, а значит, может быстро реагировать на изменение дорожной обстановки.
Принцип работы
Необходимость работы такого распределителя была одной из проблем, препятствовавших массовому выпуску гидроусилителей, ведь обычно в автомобиле руль и рулевой механизм соединены жестким валом, который не только передает усилие на рулевое управление костяшек, но и дает водителю обратную связь с дорогой. Для решения проблемы пришлось полностью изменить расположение вала, соединяющего руль и руль. Между ними был установлен распределитель, лежащий в основе торсионного принципа, то есть эластичный стержень, способный скручиваться.
Когда водитель поворачивает руль, торсион сначала немного скручивается, вызывая несоответствие положения руля и передних колес. В момент такого несоответствия катушка распределителя размыкается и в цилиндр поступает гидравлическое масло, которое смещает рулевую рейку в правильном направлении и тем самым устраняет несоответствие. Но подача на катушку распределителя мала, поэтому гидравлика не полностью заменяет усилие водителя, а значит, чем быстрее приходится поворачивать, тем больше водителю приходится крутить руль, что обеспечивает обратную связь и позволяет почувствовать машина на дороге
Устройство
Чтобы осуществить такую работу, то есть дозированную подачу АТФ в гидроцилиндр и прекратить подачу после устранения несоответствия, необходимо было создать достаточно сложный гидромеханизм, работающий по новому принципу и состоящий из:
- соединенного с ведущей шестерней торсиона, обеспечивающего рассогласование при повороте руля;
- внутренней части золотника;
- внешней части золотника.
Внутренняя и внешняя части катушки настолько плотно прилегают друг к другу, что между ними не просачивается ни капли жидкости, а также в них просверлены отверстия для подвода и отвода АТФ. Принцип работы этой конструкции заключается в точной дозировке гидравлической жидкости, подаваемой в цилиндр. При согласовании положения руля и стойки подающее и возвратное отверстия смещены относительно друг друга и жидкость через них не поступает и не вытекает из цилиндров, поэтому последние постоянно заполнены и угрозы нет аэрации. Когда пилот машины поворачивает руль, сначала поворачивается торсион, наружная и внутренняя части катушки смещаются относительно друг друга, за счет этого подводящие отверстия с одной стороны и дренажные с другой комбинированный.
После попадания в гидроцилиндр масло давит на поршень, сдвигает его к кромке, последняя смещается к рейке и она начинает двигаться еще до того, как на нее воздействует ведущая шестерня. При смещении рейки исчезает несоответствие между наружной и внутренней частями золотника, за счет этого подача масла постепенно прекращается, а при достижении баланса положения колес с положением руля подача и вывод АТФ полностью прекращается заблокирован. В этом состоянии цилиндр, обе части которого заполнены маслом и образуют две замкнутые системы, выполняет стабилизирующую роль, поэтому при наезде на кочку на руль поступает заметно меньший импульс и руль не вырывается рук водителя.
То есть работа гидравлической рулевой рейки основана на принципах золотника и торсиона — когда водитель поворачивает руль, он сначала немного подкручивает торсион, из-за этого золотник размыкается, и затем торсион распрямляется и закрывает золотник. То есть гидравлическая жидкость благодаря распределителю поступает в гидроцилиндр только тогда, когда угол поворота рулевого колеса превышает соответствующее смещение рулевой тяги, благодаря чему водитель не прилагает чрезмерных усилий, но в то же время не теряет контакта с дорогой.
Заключение
Принцип работы рулевой рейки с гидроусилителем основан на кратковременном воздействии давления, создаваемого насосом на цилиндр, который смещает рейку в нужном направлении, помогая водителю управлять автомобилем. Поэтому автомобили с ГУР намного комфортнее, особенно при маневрировании на малой скорости или движении в сложных условиях, ведь такая рейка берет на себя большую часть нагрузки, необходимой для поворота руля, а водитель только отдает ей команды, не теряя отзыв с дороги.
https://www.youtube.com/embed/LNWlA-7w97Y
