Принцип работы рулевой рейки с гидроусилителем

Рулевая рейка в индустрии легкового транспорта давно вытеснила другие типы подобных устройств благодаря своим техническими характеристикам, о которых мы рассказывали тут (Как устроена рулевая рейка). Но, несмотря на простоту конструкции, принцип работы рулевой рейки с гидроусилителем, то есть гидравлическим усилителем, до сих пор остается непонятным для большинства автовладельцев.

Развитие рулевого управления – краткий обзор

С появления первых автомобилей основой рулевого управления стал шестеренчатый редуктор с большим передаточным числом, различным способом поворачивающий передние колеса транспортного средства. Первоначально это была колонка с прикрепленной снизу сошкой, поэтому приходилось использовать сложную конструкцию (трапецию), чтобы передать смещающее усилие на поворотные кулаки, к которым прикручены передние колеса. Затем изобрели рейку, тоже представляющую собой редуктор, который передавал поворотное усилие на переднюю подвеску без дополнительных конструкций и, вскоре этот тип рулевого механизма повсеместно вытеснил колонку.

Но основной недостаток, проистекающий из принципа работы этого устройства, преодолеть не удалось. Увеличение передаточного числа позволяло крутить руль, который также называют рулевым колесом или баранкой, без усилий, но вынуждало делать больше поворотов для перемещения поворотного кулака из крайнего правого в крайнее левое положение или наоборот. Снижение передаточного числа делало рулевое управление более острым, ведь машина сильней реагировала даже на незначительный сдвиг баранки, но для управления таким авто требовались большие физическая сила и выносливость.

Попытки решить эту проблему предпринимались с начала ХХ века, причем, часть из них была связана с гидравликой. Сам термин «гидравлика» появился из латинского слова hydro (гидро), означавшего воду или какое-то жидкое вещество, по своей текучести сопоставимое с водой. Однако, до начала 50-х годов прошлого века все ограничивалось экспериментальными образцами, которые невозможно было воплотить в серийное производство. Прорыв произошел в 1951 году, когда компания Chrysler представила первый серийный гидроусилитель руля (ГУР), работающий совместно с рулевой колонкой. С тех пор общий принцип работы гидравлической рулевой рейки или колонки оставался 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 когда все составляющие четко выполняют свою задачу. На этом видео показан общий принцип работы такой системы

Насос

Задачей этого механизма является постоянная циркуляция жидкости (гидравлического масла, АТФ или ATF) по системе гидроусилителя с созданием определенного давления, достаточного для поворота колес. Насос ГУР ремнем подключен к шкиву коленчатого вала, если же автомобиль оснащен электрогидроусилителем, то его работу обеспечивает отдельный электромотор. Производительность насоса выбирают такой, чтобы даже на холостых оборотах он обеспечивал поворот машины, а избыточный напор, возникающий при увеличении оборотов, компенсирует редукционный клапан.

Насос ГУР делают двух типов:

• пластинчатый;
• шестеренчатый.

Насос ГУР

На легковушках с гидравлической подвеской один насос обеспечивает работу обеих систем – ГУР и подвески, но работает по тому же принципу. От обычного он отличается только увеличенной мощностью.

Редукционный клапан

Эта деталь гидравлического усилителя работает по принципу перепускного клапана, состоящего из запирающего шарика и пружины. Во время работы насос гидроусилителя создает циркуляцию жидкости с определенным давлением, ведь его производительность выше пропускной способности шлангов и других элементов. По мере роста оборотов мотора возрастает напор в системе ГУР, воздействующее через шарик на пружину. Жесткость пружины подобрана так, чтобы открытие клапана происходило при определенном давлении, а диаметр каналов ограничивает его пропускную способность, поэтому срабатывание не приводит к резкому падению напора. Когда клапан открывается, часть масла идет в обход системы, что и стабилизирует давление на требуемом уровне.

Редукционный клапан ГУР

Несмотря на то, что редукционный клапан установлен внутри насоса, он является важным элементом гидроусилителя, поэтому стоит в одном ряду с остальными механизмами. Его неисправность или неправильная работа ставит под угрозу не только ГУР, но и безопасность движения на дороге, если из-за чрезмерного гидравлического напора лопнет подающая магистраль, или появится утечка, реакция автомобиля на поворот руля изменится, а не имеющий опыта человек за рулем рискует не справиться с управлением. Поэтому устройство рулевой рейки с гидроусилителем подразумевает максимальную надежность как всей конструкции в целом, так и каждого отдельного элемента.

Расширительный бачок и фильтр

Во время работы ГУР гидравлическая жидкость принудительно циркулирует по системе гидроусилителя и, на нее воздействует давление, создаваемое насосом, что приводит к нагреву и расширению масла. Расширительный бачок принимает в себя излишек этого материала, благодаря чему его объем в системе всегда одинаков, что исключает скачки давления, вызванные температурным расширением. Нагрев АТФ и износ трущихся элементов приводит к появлению в масле металлической пыли и других загрязнений. Попадая в золотник, он же распределитель, этот мусор забивает отверстия, нарушая работу гидроусилителя руля, что негативно влияет на управляемость автомобиля. Чтобы избежать такого развития событий, в ГУР встроен фильтр, который удаляет из циркулирующей гидравлической жидкости различный мусор.

Цилиндр

Эта деталь гидроусилителя представляет собой трубу, внутри которой находится часть рейки с установленным на ней гидравлическим поршнем. По краям трубы установлены сальники, препятствующие вытеканию АТФ при поднятии давления. Когда масло по трубкам поступает в соответствующую часть цилиндра, поршень смещается в противоположную сторону, толкая рейку и, через нее воздействуя на рулевые тяги и поворотные кулаки.

Цилиндр ГУР

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, благодаря чему рейка начнет двигаться еще до того, как шофер приложит к этому серьезное усилие. Такую кратковременную подачу, а также слив избытка жидкости с гидроцилиндра и обеспечивает распределитель, который нередко называют золотником.

Чтобы понять принцип работы этого гидравлического устройства, необходимо не только рассмотреть его в разрезе, но и более полно проанализировать его взаимодействие с остальными элементами ГУР. Пока положение руля и поворотных кулаков соответствуют друг другу, распределитель, он же золотник, блокирует поступление жидкости в цилиндр с любой стороны, поэтому давление внутри обеих полостей одинаково и, он никак не влияет на направление вращения колесных дисков. Когда водитель поворачивает руль, небольшое передаточное число редуктора рулевой рейки не позволяет ему быстро повернуть колеса без приложения значительных усилий.

Распределитель ГУР

Задачей распределителя ГУР является подача АТФ в гидроцилиндр лишь тогда, когда положение руля не соответствует положению колес, то есть когда водитель поворачивает баранку, сначала срабатывает распределитель и заставляет цилиндр воздействовать на поворотные кулаки подвески. Такое воздействие должно быть кратковременным и зависеть от того, насколько сильно шофер повернул руль. То есть, сначала колеса должен поворачивать гидроцилиндр, а затем уже водитель, такая последовательность позволяет прикладывать минимальные усилия для поворота, но при этом «ощущать дорогу».

Принцип работы

Необходимость такой работы распределителя была одной из проблем, которые препятствовали серийному производству гидроусилителей, ведь обычно в машине руль и рулевой редуктор соединены жестким валом, что не только передает усилие на поворотные кулаки, но и обеспечивает пилоту машины обратную связь с дорогой. Чтобы решить проблему, пришлось полностью изменить устройство вала, соединяющего руль и ведущую шестерню рулевого механизма. Между ними установили распределитель, основой работы которого является принцип торсиона, то есть упругого, способного к скручиванию стержня.

Когда водитель поворачивает руль, сначала незначительно скручивается торсион, из-за чего возникает рассогласование между положением рулевого и передних колес. В момент такого рассогласования золотник распределителя открывается и гидравлическое масло поступает в цилиндр, который смещает рулевую рейку в нужную сторону, а значит, устраняет рассогласование. Но, пропускная способность золотника распределителя невысока, поэтому гидравлика не полностью заменяет усилия водителя, а значит, чем быстрей нужно повернуть, тем сильней придется шоферу крутить руль, что обеспечивает обратную связь и позволяет чувствовать машину на дороге

Устройство

Чтобы выполнить такую работу, то есть дозированно подавать АТФ в гидроцилиндр и прекращать подачу после устранения рассогласования, пришлось создавать довольно сложный гидравлический механизм, 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 наружная части золотника прилегают друг ко другу настолько плотно, что между ними не просачивается ни капли жидкости, кроме того, в них просверлены отверстия для подачи и возврата АТФ. Принцип работы такой конструкции заключается в четком дозировании подаваемой в цилиндр гидравлической жидкости. Когда положение руля и рейки согласовано, подающие и возвратные отверстия смещены друг относительно друга и жидкость через них в цилиндры не поступает и не вытекает оттуда, поэтому последний постоянно заполнен и нет угрозы завоздушивания. Когда пилот машины поворачивает руль, сначала скручивается торсион, наружная и внутренняя части золотника смещаются относительно друг друга, из-за чего совмещаются подающие отверстия одной стороны и сливные другой.

Поступая в гидроцилиндр, масло давит на поршень, смещая его к краю, последний смещает на рейку и, она начинает передвигаться еще до того, как ведущая шестерня воздействует на нее. По мере смещения рейки уходит рассогласование между наружной и внутренней частью золотника, благодаря чему постепенно прекращается подача масла, а когда положение колес достигает баланса с положением руля, подача и выход АТФ полностью блокируются. В таком состоянии цилиндр, обе части которого заполнены маслом и образуют две замкнутые системы, выполняет стабилизирующую роль, поэтому при наезде на неровность до руля доходит импульс заметно меньшей силы и, баранка не вырывает из рук водителя.

Заключение

Принцип работы рулевой рейки с гидроусилителем основан на кратковременном воздействии создаваемого насосом давления на цилиндр, который сдвигает рейку в нужную сторону, помогая водителю управлять автомобилем. Поэтому автомобили с ГУР гораздо более комфортны, особенно при маневрах на низкой скорости или езде в сложных условиях, ведь такая рейка берет на себя большую часть нагрузки, необходимой для поворота колеса, а водитель лишь отдает ей команды, при этом не теряя обратной связи с дорогой.