Конструктивный анализ усилителей рулевого управления

Трудности выбора

Отношение автомобилистов к этим системам неоднозначное. Одним нравится современный электроусилитель (ЭУР), для других предпочтительнее классический гидроусилителя (ГУР). Каждая система имеет свои преимущества и недостатки.

Что же выбрать?

Исходя из чисто логического подхода, можно подумать, что новое инженерное решение, в данном случае ЭУР, должно быть лучше прежнего. Оно должно учитывать недостатки системы предыдущего управления и исправлять их. Однако, лучшее, как говорится, враг хорошего. И не факт, что старая система, ГУР, плоха сама по себе. Да и не стоит забывать инертность мышления человека, который уже привык к управлению автомобилем, выработал свой стиль и не желает что-либо менять.

Назначение, преимущества и недостатки электроусилителя

ЭУР появился недавно, намного позже хорошо известного и проверенного временем гидроусилителя рулевого колеса. Его задача аналогична – облегчить вращение руля, но принцип действия уже другой.

Если в первом случае основную функцию несла специальная жидкость ГУР, то в здесь роль «помощника» берет на себя электрический привод.

С момента появления система все время совершенствовалась. При этом год за годом электроусилитель берет «бразды правления» в свои руки и постепенно вытесняет ГУР.

В чем же преимущества электроусилителя руля? Их несколько:

• Выставлять параметры рулевого управления намного проще;
• руль стал лучше реагировать на движения водителя;
• повысился уровень надежности. Это связано с тем, что работоспособность системы уже не зависит от объема и качества специальной жидкости;
• снизился расход топлива.

Казалось бы, какая может быть закономерность. Все просто. С появлением электрического привода энергии стало расходоваться меньше, соответственно «прожорливость» авто снизилась в среднем на 0,5 литра (из расчета на «сотню»).

Но, несмотря на свои качества, ЭУР имеет и ряд минусов:

• электрогенератор имеет ограниченную мощность, что отражается на работе всей системы. Как следствие, установка электопривода возможна только на легковых авто. Для грузовых машин или внедорожников такой тип усилителя не подойдет – он будет малоэффективен;
• низкая информативность рулевого колеса (объяснить это можно недостаточным обратным усилием). Справедливости ради, аналогичный недостаток имеет и «старший брат» — гидроусилитель руля.

С появлением электроусилителя у разработчиков появилась масса возможностей при разработке более современных систем, к примеру, автоматической парковки, системы курсовой устойчивости и так далее.

Виды и их особенности

Как отмечено, в устройстве ЭУР применяются одни и те же составные элементы, но с разной компоновкой. Все применяемые электрические усилители рулевого управления можно разделить на:

• Встроенные в рулевую колонку;
• Монтируемые на рулевой механизм;

Особенность первого типа заключается в том, что все составные части объединены в единую конструкцию, устанавливаемую на рулевой колонке. В таком механизме используется червячная силовая передача, воздействующая на вал рулевой колонки (червяк соединен с ротором электродвигателя, а шестерня, с которой он находится в зацеплении – на валу колонки, после торсиона). Такой тип ЭУР является самым дешевым и его можно встретить на автомобилях бюджетного сегмента.

ЭУР встроенный в рулевую колонку

Что касается усилителей, устанавливаемых на рулевой механизм, то у этих типов конструкция раздельная – датчики установлены на колонке, блок управления располагается где-то в салоне, а двигатель с редуктором расположен на рулевом механизме.

Причем существует несколько типов ЭУР с такой компоновкой:

• С червячным редуктором;
• Двухвальный;
• Шарико-винтовой;

С червячным редуктором

Если рассмотреть общую концепцию ЭУР, установленного на рулевой колонке, и раздельного усилителя с червячным редуктором, то разница между ними сводится лишь к тому, что у второго варианта исполнительное устройство располагается возле рулевого механизма, хотя в нем все также используется червяк с шестерней (установленной на валу рулевой колонки).

Червячный редуктор ЭУР

Двухвальный ЭУР

Двухвальный тип ЭУР с момента появления являлся достаточно популярным, но сейчас он используется значительно реже. Конструктивное исполнение этого типа усилителя очень интересно: сочленение «колонка-рулевой механизм» здесь осталось без изменений (так же, как и на авто без усилителя).

Двухвальный ЭУР от компании ZF

То есть, на конце вала колонки установлена шестерня, которая имеет постоянное зацепление с рейкой. Но в рулевой механизм с другой стороны корпуса монтируется исполнительный механизм, состоящий из электродвигателя, на валу которого тоже установлена шестерня, тоже взаимодействующая с рейкой. Для этого на рейку приходится наносить дополнительный зубчатый сектор.

Схема работы двухвального ЭУР

Работает такой механизм очень просто: водитель, как и на авто без усилителя, посредством шестерни перемещает рейку. В то же время блок управления включает в работу электродвигатель, который благодаря зубчатому зацеплению помогает ее перемещать.

Шарико-винтовой усилитель

Последний тип – шарико-винтовой. В этом ЭУР усилие также передается на рулевую рейку, а не валы колонки. Но делается это при помощи шарико-винтовой гайки. Для передачи усилия используются шарики, движущиеся по винтовой канавке, проделанной на рейке.

Шарико-винтовой ЭУР с ременной передачей

Принцип работы электроусилителя руля этого типа сводится к тому, что усилие, создаваемое электродвигателем, передается на гайку, установленную на рейку (посредством ременной передачи) или же напрямую, когда электромотор встроен в рулевую рейку. В результате гайка начинает вращаться, при этом она из-за конструкции корпуса не может смещаться в продольном направлении. Поэтому вращение гайки приводит к перемещению самой рейки, тем самым и создается дополнительное усилие на рулевом механизме.

ЭУР с шарико-винтовой передачей и встроенным электромотором

В каждом из указанных типов есть определенные достоинства и недостатки, которые сказываются на их распространенности на авто. К примеру, устройство, монтируемое на рулевую колонку отличается дешевизной, но при этом информативность работы у него невысокая. Что касается шарико-винтового ЭУР, то он считается лучшим по информативности, но очень сложный в обслуживании и дорогостоящий.

Электроусилитель рулевого управления

В ЭУР крутящий момент, создаваемый руками водителя на рулевом вале, усиливается электродвигателем и передаётся на управляемые колёса реечно-шестерёнчатым редуктором.

Электродвигатель питается от бортовой сети автомобиля и управляется электроникой.

Устройство и принцип работы электроусилителя руля

Существует несколько вариантов конструкций.

Рассмотрим самый известный и наиболее распространённый.

Его основные узлы и элементы:

• Электродвигатель.
• Рулевой вал из двух частей, соединённых торсионом.
• Исполнительный механизм (редуктор).
• Датчики крутящего момента и положения рулевого колеса.
• Электронный блок управления (ЭБУ).

Принцип действия:

Поворачивая рулевое колесо, водитель скручивает торсион, при этом две части датчика крутящего момента перемещаются относительно друг друга, величина и направление проходящего через датчик электрического тока изменяются. Одновременно изменяется и сигнал от датчика угла поворота руля. Эти параметры поступают в ЭБУ, вместе с показаниями системы ABS о скорости автомобиля и частоте вращения двигателя от контроллера ЭСУД. Процессор ЭБУ определяет величину и направление необходимого усилия и подаёт на электромотор напряжение необходимой полярности, изменяя величиной тока скорость вращения якоря и крутящий момент. Двигатель через редуктор вращает рулевой вал или перемещает рейку.

В упрощённых вариантах блок управления не связан с электронными системами управления двигателем и контроля скорости движения, режим работы электропривода зависит только от датчиков крутящего момента и поворота руля.

На автомобилях малого и среднего класса, где от ЭУР не требуются высокие мощности, электродвигатель с редуктором настолько компактны, что размещаются под рулевой колонкой в салоне машины, вместе с датчиками и блоком управления.

Существуют рулевые рейки с приводом от двух шестерён, одна из которых передаёт усилие от вала руля, другая — от электромотора ЭУР.

В рулевых устройствах вэнов, микроавтобусов и лёгких коммерческих грузовиков используются ЭУР параллельно-осевой конструкции с механизмом «винт — шариковая гайка». Электромотор вращает шариковую гайку с помощью зубчатого ремня. Шарики, обкатываясь по спиральным канавкам, двигают рулевую рейку.

Иногда электромотор встраивают непосредственно в рейку, её вал проходит сквозь статор, а якорь одновременно является шариковой гайкой. Такими агрегатами оборудуются «Тойота», «Лексус» и некоторые модели «Мазда».

Что такое активное рулевое управление

Система активного рулевого управления по сути это доработанный механизм обычного рулевого управления. Наличие данной системы на борту автомобиля способствует улучшению динамических характеристик, лучшему управлению машиной, а так же улучшает комфорт. Впервые систему AFS (активного рулевого управления) установили в 2003 году на топовые комплектации автомобилей BMW.

Если рассматривать более детально, то активное рулевое управление может менять передаточное число между рулевым колесом и механизмом поворота колес, в зависимости от скорости движения. К тому же система может самостоятельно корректировать угол поворота передних колес в момент входа в поворот или торможения на скользкой дороге. В дополнение ко всему система активного рулевого управления может подруливать задними колесами, тем самым увеличивая маневренность автомобиля.

Какие бывают усилители момента вращения рулевого колеса (попросту – руля)?

Статистика показывает, что почти никто не покупает новую ВАЗ 2107, чтобы сразу же поставить гидроусилитель руля. Если есть деньги, берут иномарку. Так что усилитель устанавливают часто на машину подержанную. И вкладывать в ВАЗ 2107 стоимостью 50-60 тысяч рублей около половины стоимости (около 31-32 тыс. руб. в ценах 2014 г.) вряд ли кто захочет. Поэтому расскажем подробнее о более популярном варианте – электромеханическом усилителе (ЭУР). Он немного дешевле, его стоимость около 20 тыс. руб.

Электромеханический усилитель руля (электроусилитель) хорошо справляется с нагрузкой, его монтаж гораздо легче, протекает быстрее. Работает он на ВАЗ 2107 почти так же эффективно, что и масляный ГУР. И что самое главное – он воплощает извечную мечту автомобилиста о регулярном техническом обслуживании, так как работает по принципу «установил и забыл». Как следует из самого названия, электроусилитель соединён с бортовой системой питания 12 В (при максимальном токе 50А) и рулевым управлением.

Рассмотрим отечественный ЭУР для ВАЗ 2107 производства махачкалинского завода «Авиаагрегат».

Предусмотрен электроусилитель руля для ВАЗ 21214, но на всём ряду «классики, в том числе и на ВАЗ 2107 вполне пригоден.  Крепится он вместо обычной рулевой колонки.

Принцип действия – создание электродвигателем дополнительного момента, действующего синергически и синхронно с руками водителя. Коэффициент усиления на рулевом колесе – 5,7. Это значит, что усилие при повороте, при котором водитель «вложил» 20 кг собственной силы, теперь требует 3,5 кг.

Что входит в комплект?

• собственно усилитель;
• кронштейн для крепления на рулевую колонку ВАЗ 2107;
• промежуточный кардан;
• вспомогательные детали, такие как провода, крепёж и декоративный кожух.

Как работает электроусилитель руля?

Принцип работы сложный, с использованием обратной связи:

• Датчик момента «ловит» приложение направления и силы на руль водителем и трансформирует импульсы в электрический сигнал; кроме датчика момента есть датчики числа оборотов коленвала, скорости автомобиля, положения ключа зажигания и др., каждый из них тоже формирует сигнал и посылает их в блок управления.
• Блок по особой программе обработки выдаёт суммирующий сигнал, который поступает на статор электродвигателя.
• Электродвигатель производит «обратную работу», превращая электрический импульс в движение руля.

Наличие датчика скорости приводит к тому, что чем быстрее машина движется, тем «слабее» усилие, то есть рулевое колесо «тяжелеет». При этом, электродвигатель включается лишь тогда когда нужно, и тогда слышно, как он слегка жужжит.

ЭУР начинает работать на ВАЗ 2107 спустя 4-6 секунд после включения зажигания.

В случае, если какие – то неполадки случатся в цепи питания, то электроника просто отключит ЭУР, загорится извещающий световой сигнал, и автомобиль вернётся на ручное управление.

Установка ЭУР. Для этого:

• вначале, как и при любых работах, отсоединяем «массу» с АКБ.
• заменяем кардан в колонке рулевого управления;
• сверлим крепёжные посадочные отверстия согласно приложенной схеме;
• проводим провод эл/питания, ставим предохранитель и провода датчиков коленвала и скорости.
• ставим снаружи защитный кожух.

Вся работа занимает около 2-3 часов. Для того, чтобы поставить устройство, почти все работы проводятся в салоне.

Гарантия на изделие составляет 1 год со дня покупки.

В целом, если вы беззаветно преданы ВАЗ 2107, то можете поставить электроусилитель руля.

Ещё вариант: ЭУР от «Приоры». Для установки на классический ряд требуется специальная переходная пластинка и спецкардан.

Внимание! Так как при любом ТО замеряют люфт рулевого колеса, то есть 100% риск «нарваться» на вопрос и имеется большая возможность, что вам откажут в проведении техосмотра с «тюнингованным» рулевым управлением. Если вы при этом хотите пройти ТО честно, то необходимо:. Если вы при этом хотите пройти ТО честно, то необходимо:

Если вы при этом хотите пройти ТО честно, то необходимо:

• Найти официальное письмо завода – производителя автомобиля ВАЗ (с печатями), что именно данная модель одобрена для ВАЗ 2107 и захватить её с собой на ТО; насколько известно, есть письмо на семейство 2110, и на 21214. Что касается ВАЗ 2107, то есть ли оно вообще?Скачать для печати
• Взять также документ, что электроусилитель установлен на сервисе или СТО, официально являющейся представителем ВАЗ, а не вами лично в гараже.Если и в этом случае органы будут препятствовать, требуйте письменный отказ от допуска на ТО с указанием подробной причины, и грозите судебными карами.

Виды усилителей рулевого управления

В любом современном автомобиле присутствует такой узел, как усилитель рулевого управления. Основной его задачей является снижение силы, применяемой водителем для вращения руля. Это очень повышает показатель комфортности автомобиля. Ещё 15-20 лет назад усилитель руля был настоящей изюминкой при покупке автомобиля в России и СНГ. Сегодня же любой автомобиль даже в базовой комплектации имеет данный элемент. Существует несколько видов усилителей рулевого управления:

• гидравлический усилитель руля
• электрический усилитель руля
• электрогидравлический усилитель руля
• механический усилитель руля
• пневматический усилитель руля

Устройство и работа каждого из видов в корне различается. Пневматический усилитель далеко в прошлом и сейчас он уже практически не используется. Остальные варианты, особенно электроусилитель и гидроусилитель, вы можете встретить на многих автомобилях.

Схемы рулевого управления

Существует 3 схемы установки электроусилителя. В независимости от схемы общая конструкция электромеханического усилителя состоит из электродвигателя, механической передачи, двух датчиков и двух шестерней или параллельного привода.

1. ЭУР устанавливается на рулевую колонку. Это самый компактный вариант, при котором для поворота руля не требуется больших усилий. Сам электромотор и механическая передача помещаются под рулевым колесом. Огромным плюсом является нахождение в салоне, а не под капотом, тут устройство защищено от пыли и грязи, а это в свою очередь продлевает срок службы. Так же в случае выхода из строя устройства, Вам будет легко разобраться в принципе установки и поменять его своими руками, что сэкономит деньги. Данный вид крепления усилителя используют преимущественно на малом классе авто.
2. Установка на рулевую рейку. Так устанавливают усилитель преимущественно на микроавтобусы и внедорожники. Здесь требуется уже больше усилия, которое передается через шестерню. Ведь чем больше автомобиль, тем больше он весит и тем большее усилие нужно для поворота.
3. Устанавка на шариковинтовой механизм, где через ременную передачу усилие от электродвигателя передается на рейку. Данный способ обеспечивает наибольшее усилие электродвигателя при повороте. Так устанавливают электроусилитель руля на тягачи и автобусы.

Какой бы не был механизм установки электроусилителя руля, бывают сбои в блоке управление, при выходе из строя, он не блокирует поворот руля. И автомобиль можно спокойно отогнать в сервис, где его поменяют или отрегулируют.

Устройство и работа гидроусилителя руля — ГУР

Современные гидроусилители интегрируются в рулевой механизм своим исполнительным механизмом. А в качестве рабочей жидкости применяют трансмиссионное масло ATF.

На рисунке представлен реечный рулевой механизм с гидроусилителем. Расположение поршня гидроусилителя зависит от крепления тяг. Если тяги крепятся по бокам, поршень размещен посередине корпуса. Поршень может располагаться сбоку, если тяги крепятся к центральной части.

Насос гидроусилителя располагается на силовом агрегате и приводится в действие от ремня коленчатого вала. Насос ГУР предназначен для создания давления масла в системе и его циркуляции (простым языком для перекачивания масла из бачка в распределитель), с давлением от 50 до 10 атм.

Распределитель предназначен для распределения рабочей жидкости по системе (т.е. дозировано улучшает поворот управляемых колес в зависимости от усилия на руле). Распределители бывают роторные и осевые, которые отличаются движением золотника.

Осевой золотник — если золотник распределителя движется поступательно.

Роторный золотник – если золотник осуществляет вращательное движение.

В этом случае используют специальное мониторинговое устройство — торсион, который встраивается в разрез рулевого вала.

Гидроцилиндр – элемент гидроусилителя, который приводит в действие поршень со штоком, повышая давления масла в системе.

Соединительные шланги – предназначены для хода рабочей жидкости по системе.

Рабочая жидкость — масло, с помощью которого обеспечивается передача усилия к гидроцилиндру от насоса.

Бачок. Емкость с фильтром для хранения и очистки рабочей жидкости.

Как работает торсион

Если автомобиль движется прямо, никаких усилий к рулевому колесу прикладывать не надо, поэтому торсион не закручен, дозирующие каналы распределителя перекрыты, масло течет в бачок. Когда же автомобиль поворачивает, возникает сопротивление, сопротивление передается и торсион закручивается еще сильнее, пропорционально прикладываемому усилию к рулевому колесу. Золотник открывает дозирующие каналы, и масло начинает поступать в исполнительное устройство. Если рулевое колесо повернуто до упора, открываются предохранительные клапана, давление масла сбрасывается.

Работа насоса гидроусилителя

При вращении ротора лопасти, перемешаясь в его пазах, постоянно плотно прижимаются к криволинейной поверхности статора под действием центробежных сил и давления жидкости. Жидкость из корпуса попадает в пространство между лопастями и вытесняется ими в полость нагнетания. За один оборот ротора дважды происходит забор и нагнетание жидкости. Из полости нагнетания через отверстия распределительного диска, калиброванное отверстие и канал в крышке насоса жидкость поступает в нагнетательный шланг (трубопровод) гидроусилителя.На верхней части корпуса насоса укреплен бачок для жидкости (масло), закрытый крышкой, в которой установлен сапун, поддерживающий давление внешней среды внутри бачка. Масло, заливаемое в бачок, проходит через сетчатый фильтр. В магистрали слива масла имеется также сетчатый фильтр и перепускной клапан, который срабатывает в случае засорения фильтра. В крышке насоса установлен перепускной клапан, имеющий отверстия для соединения с полостью нагнетания насоса.При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя разность давлений на торцах перепускного клапана возрастает, так как с увеличением подачи масла в систему гидроусилителя повышается разность давлений в полости нагнетания насоса и в магистрали нагнетания. При чрезмерном увеличении подачи масла в систему гидроусилителя перепускной клапан перемещается вправо, сжимая пружину, и сообщает полость нагнетания с бачком.

Для уменьшения уровня шума при работе насоса и снижения износа его деталей при большой частоте вращения коленчатого вала двигателя масло, проходя перепускной клапан, принудительно направляется обратно в полость корпуса насоса и в канал всасывания. Для этого имеется коллектор, внутренний канал которого соединен с полостью бачка.Внутри перепускного канала есть седло с установленным в нем предохранительным клапаном, который открывается при достижении давления масла 6,5—7 МПа и перепускает его из нагнетательного канала в бачок.На грузовых автомобилях особо большой грузоподъемности, движение которых без усилителя рулевого привода невозможно, обычно применяют дополнительный, аварийный привод насоса от электродвигателя

Он автоматически включается при аварийной остановке двигателя автомобиля.Техническое состояние механизма рулевого управления оказывает существенное влияние на безопасность движения автомобиля, поэтому правильной эксплуатацией механизма рулевого управления и своевременному регулированию необходимо уделять самое серьезное внимание. Не допускается, к примеру, эксплуатация автомобиля, если свободный ход рулевого колеса превышает 25° В этом случае эксплуатация автомобиля затруднена и износ деталей механизма рулевого управления значителен.Для повышения надежности и упрощения обслуживания элементов механизма рулевого управления конструкция привода предусматривает частичное или даже полное отсутствие регулировок шарнирных узлов рулевого привода

Детали механизма рулевого управления изготовляются с большой точностью и подвергаются термообработке.

Недостатки ЭУР

Система электроусилителя наряду с преимуществами также имеет несколько существенных недостатков:

• ЭУР не используют на грузовых автомобилях (недостаточно мощности электромотора);
• взаимодействие с большим количеством датчиков понижает надежность, возникают сложности с диагностикой и ремонтом;
• себестоимость адаптивных электроусилителей намного дороже традиционного ГУР;
• даже с учетом возможности гибкой настройки водители отмечают плохую обратную связь, усилие на руле не естественное, теряется связь с дорогой;

Примечательно то, что неисправность EPS может возникнуть совершенно неожиданно, проблема может быть плавающей (проявляться только во влажную погоду или после езды по плохой дороге). Результат — ремонт электроусилителей руля может быть затруднен, так как сложно определить причину даже после проведения углубленной диагностики.

С учетом таких минусов на более дорогих современных авто достаточно часто вместо традиционного ГУР или ЭУР устанавливают электрогидроусилитель руля ЭГУР. Данное решение сочетает в себе основные преимущества гидравлики и электроники, позволяя значительно улучшить качество рулевого управления.

Электрогидроусилитель руля

Усилители рулевого механизма такого типа также называются гибридными. Принцип работы такого механизма основан и на гидравлике, и на электрике. Основной силовой установкой, как и в случае с гидроусилителем, является насос. Но, в отличие от ГУР-а, насос приводится в движение не ремённым приводом, а электрическим током. Далее всё происходит по такому же сценарию, как и в случае с гидроусилителем – жидкость приводит в движение рейку и колёса поворачиваются, при этом водитель не применяет больших усилий со своей стороны.

Надёжность такого насоса на порядок выше и, помимо этого, исключается вероятность обрыва ремня гидроусилителя. Но, тем не менее, нет ничего вечного, и неисправность усилителя рулевого управления имеет место быть. Чаще всего в такой системе сгорает электромотор или нарушается герметичность масляных каналов. Не спешите менять рейку целиком, если вы увидели подтёки – возможно, достаточно заменить сальники.