Руль - дело консервативное
...Впервые в России о важности рулевого управления |"^для безопасности движения заявил Федор Иванович Шаляпин – когда 13 января 1875 года в образе демона при исполнении одноименной оперы А. Рубинштейна своим бархатным басом пропел со сцены Мариинского театра: «На воздушном океане без руля и без ветрил тихо плавают в тумане хоры стройные светил».
Отказ от рулевой системы стал для демона трагичным. Тамара, которую он пытался соблазнить, устояла (хотя и с трудом), а сам он был низвергнут по месту прописки – в ад.
Повлияла ли опера на работу инженеров-автомобилистов – неизвестно. Однако то, что рулевое управление самым непосредственным образом влияет на безопасность, они запомнили.
Понятно, что роль Шаляпина в повышении безопасности на дорогах – это шутка. Но то, что любые нововведения в конструкции рулевого управления тщательно и долго испытываются – уже не шутка. Эта система, пожалуй, самая консервативная в автомобилях. И совершенствуется она очень медленно.
Надежность превыше всего
В начальном этапе автомобилестроения инженеры придумывали самые разнообразные механизмы для изменения направления движения. Тут были и длинные рукояти, поворачивающие управляемое колесо, как на первом автомобиле Даймлера (который, в сущности, был не автомобилем, а мотоциклом), и ручка от мясорубки, соединенная с осью переднего колеса рычажным механизмом, как на автомобиле Бенца. Однако довольно быстро «экзотику» сменила наиболее простая и надежная конструкция, которая включала два базовых компонента: рулевой механизм и рулевой привод. Которые, собственно, и сегодня остаются основными в рулевом управлении.
Задача рулевого механизма – передача усилия, прикладываемого к рулевому колесу, на рулевой привод. Собственно, этот механизм преобразует вращательное движение в продольное, дополнительно усиливая его.
Кстати, замены всем привычной «баранки» на штурвал, джойстик и прочие «нововведения», скорее всего, в обозримом будущем не будет. Дело в том, что существует жесткое техническое требование, которого придерживаются все производители автомобильной техники: в случае выхода из строя усилителей рулевого управления (о них – разговор ниже) должна сохраняться механическая связь между рулем и колесами. А с помощью джойстика повернуть колеса физически невозможно. Поэтому все эксперименты, которые предпринимались автопроизводителями (в частности, Saab), так экспериментами и останутся – по крайней мере, в ближайшие десятилетия.
Рулевой привод – это система рычагов и тяг, которая непосредственно осуществляет поворот управляемых колес автомобиля при вращении руля.
Механизмы
Рулевые механизмы обязательно содержат трущиеся пары – червяк и ролик, червяк и сектор, винт и гайка. Сегодня широко распространены варианты механизмов с винтом и гайкой на циркулирующих шариках. Достоинством этой конструкции являются малые потери на трение и длительный срок службы. В ней вращение рулевого вала через шарики преобразуется в продольное перемещение гайки, которая за счет зубчатого зацепления на внешней стороне с зубчатым сектором вызывает поворот вала сошки.
Однако эта, безусловно, удачная и надежная конструкция постепенно заменяется реечным рулевым механизмом – «рулевой рейкой».
Рулевая рейка представляет собой очень простую конструкцию из закрепленной на конце рулевого вала шестерни и зубчатой рейки, связанной с двумя внешними тягами рулевой трапеции. Вращение рулевого колеса через шестерню вызывает поступательное перемещение рейки и связанных с ней тяг рулевой трапеции – что, собственно, и обеспечивает поворот колес автомобиля.
По сравнению с другими конструкциями реечный механизм – легче и дешевле. Кроме того, для переднеприводных легковых автомобилей (с их плотной «упаковкой» моторного отсека) он предпочтительнее и по компоновочным соображениям.
Конструкция реечного механизма позволила простыми средствами добиться переменного передаточного отношения. Нарезку зубьев на рейке сделают с переменным шагом (меньшим в ее средней части и большим на краях). Соответственно поворот рулевого колеса на один и тот же угол вызывает разное перемещение управляемых колес. Это позволяет снизить чувствительность рулевого управления в районе нейтрального положения руля – и повысить ее при максимальных отклонениях. Так что при движении на высокой скорости от водителя требуется меньшее напряжение, да при маневрировании на парковке не надо слишком много крутить руль.
Усилители
Раньше тяжелые грузовики и большие автобусы имели огромные рулевые колеса, которые для разворота машины приходилось долго крутить. Причина такой «физкультуры» в том, что усилие, которое необходимо приложить к рулю для изменения положения колес, зависит от передаточного числа рулевого механизма и диаметра самого руля.
Однако понятно, что невозможно до бесконечности увеличивать передаточное число и диаметр «баранки» – либо здоровья у водителя не хватит, чтобы повернуть руль, либо сам руль в кабине не поместится. И потому инженеры придумали усилители рулевого управления.
Для справки: все усилители конструируются таким образом, чтобы в случае выхода их из строя сохранялась возможность управления автомобилем (та самая механическая связь руля и колес).
Усилители бывают пневматические, гидравлические и электрические. Первыми на машинах появились пневматические. В их конструкцию входят воздухораспределитель, силовой пневматический цилиндр, система рычагов и комплект шлангов. Сжатый воздух для работы такого усилителя чаще всего брался от пневматической тормозной системы – поскольку такие усилители предназначались для тяжелых грузовиков с пневмотормозами (в противном случае требовалась еще установка компрессора с ресивером).
Пневмоусилители просты по конструкции и не требуют высокой герметичности уплотнений. Однако они громоздки (невысокое давление сжатого воздуха ведет к тому, что пневмоцилиндры получаются внушительных размеров). А кроме того, они обладают малым быстродействием.
В результате им на смену пришли гидроусилители. Они компактны и бесшумны, обладают повышенным быстродействием. Но при этом – чувствительны к качеству уплотнителей и требуют более тщательного технического обслуживания.
По устройству гидроусилитель близок к пневматическому. Давление жидкости создает гидронасос (работающий от коленчатого вала двигателя автомобиля или собственного электромотора). Конструктивно гидравлический усилитель может выполняться как отдельно от рулевого механизма, так и объединенным с ним в единое целое.
Сегодня конструкция гидравлических усилителей доведена до совершенства. На легковых автомобилях они применяются совместно с реечными рулевыми механизмами и механизмами типа «винт – шариковая гайка». Однако гидравлика усложняет конструкцию автомобиля, а значит, его обслуживание. Так что оставался всего один шаг – сделать так, чтобы колеса поворачивал электромотор.
Электрические усилители рулевого управления появились сравнительно недавно, но уже активно используются автомобилестроителями. Они экологичны, экономичны, компактны, их легко монтировать при сборке автомобиля на конвейере. Они недороги, а значит, доступны для применения на бюджетных моделях.
Электрический усилитель состоит из датчика крутящего момента, прикладываемого водителем к рулю, электронного блока управления и электродвигателя, который является исполнительным механизмом. Датчик содержит торсион, встраиваемый в разрыв рулевого вала, и задача определения момента сводится к измерению угла скручивания торсиона. Электромотор может устанавливаться или на рулевом валу, или непосредственно на рейке.
Электроника
Но главный прорыв в повышении безопасности рулевого управления стал возможным благодаря широкому применению электроники. Благодаря ей удалось создать активное рулевое устройство, которое способно самостоятельно поворачивать колеса, хотя и в ограниченных пределах. Первым создателем этого устройства является ZF Lenksysteme (совместное предприятие ZF Friedrichshafen и Robert Bosch).
В основе активного рулевого устройства лежит планетарная передача, благодаря которой вращение шестерни рулевого механизма может осуществлять как водитель, так и специальный электродвигатель – или оба одновременно. В последнем случае угол поворота колес автомобиля получается больше или меньше задаваемого человеком.
С помощью электроники удалось без дополнительного оборудования связать рулевое управление и практически все системы, обеспечивающие безопасность движения (АБС, АПС и т.д.), и создать «запас» на развитие – в частности, сегодня на машины уже устанавливают систему автоматической парковки. Дело в том, что электроника «разговаривает» с этими системами на одном «языке», а значит, не надо «переводить» электронный управляющий сигнал на «язык» гидравлики.
Базой для создания активных устройств служат обычные рулевые управления, как с гидравлическим усилителем, так и с электрическим. А вместо планетарной передачи подходит и волновая.
Волновую передачу изобрел еще в 1955 году американский инженер Уолтон Массер. Идея ее хитроумна и в то же время проста: в одну шестеренку с внутренними зубцами вставлена другая – гибкая с немного меньшим диаметром и числом внешних зубцов. А внутрь всей этой конструции помещен овальный кулачок, который деформирует гибкую шестерню, обеспечивая ее прижим к внешнему кольцу в двух диа-
метрально противоположных местах. Соответственно вращение этого кулачка (он еще называется генератором волн) вызывает смещение точек контакта шестерен, а вместе с этим и их медленный проворот относительно друг друга.
Последняя разработка компании ZF Lenksysteme как раз содержит и волновую передачу, и электроусилитель.
Вместо резюме
Развитие системы рулевого управления сегодня идет по «эволюционному» направлению. Прописываются новые протоколы в электронном управлении, растет число сигналов от датчиков, совершенствуются материалы. Но новых «прорывов» ждать не приходится. Рулевой механизм – штука консервативная.
О делах практических: «умелые руки»
В ходе подготовки этого материала мы разговаривали с сотрудниками российского отделения концерна ZF Friedrichshafen, одного из крупнейших в мире разработчиков и производителей элементов рулевого управления. И мои собеседники – сотрудники службы техподдержки Петр Корнилов и Дмитрий Левичев – в один голос заявили, что хотят обратить внимание наших читателей на одну важную проблему.
Она кажется простенькой и, в общем-то не очень важной: сегодня у нас в стране распространена практика попыток самостоятельно ремонтировать рулевые реечные механизмы (в просторечии – рулевые рейки) в «гаражных условиях». Но это совершенно недопустимо – потому что очень опасно.
В рулевом реечном механизме самый «проблемный» узел – соединение вал-шестерни и самой рейки. А поскольку на рейке зубья нарезаны с переменным шагом, то в определенных положениях в этом соединении возникают либо зазоры, либо «натяг». Поэтому усилие поджима вал-шестерни и рейки регулируется только на стенде – с помощью динамометрического ключа, индикатора часового типа, специальных приспособлений – «наездников», зависящих от типа рейки. И после регулировки усилия отверстия закрываются резьбовой пробкой, которая блокируются кернением.
И если в компанию приходят люди с целью заменить вышедшую из строя рулевую рейку, специалисты сначала проверяют блокировку. Если она сорвана, деталь не принимается – поскольку нарушены заводские регулировки, которые не подлежат изменению.
Дмитрий Левичев: «Если блокировка на рулевой рейке сорвана, мы ее не принимаем и претензии не рассматриваем»
Логику «умелых рук» специалисты компании понимают – если в крайних положениях рулевой рейки раздается стук, то возникает желание подтянуть винты. Но в этом случае узел может заклинить при движении автомобиля, когда соединение вал-шестерни и рейки находится в среднем положении.
Вторая проблема – при сдаче рулевой рейки практически все снимают с нее датчики. Зачем это делают, неизвестно: все датчики «прописываются» один раз на установочном стенде. В частности, на гидравлических рулевых рейках ZF Servotronic сигнал о скорости, поступающий от электронного спидометра или системы АБС, анализируется микропроцессором и направляется на электрогидравлический преобразователь, который, в свою очередь, определяет гидравлическое действие на клапан, регулирующий момент усилия руля, – проще говоря, при росте скорости автомобиля руль «тяжелеет». Так вот, датчики с этой рейки использовать больше нельзя. Но – снимают.
Еще один типовой случай – автомобиль после установки рулевой рейки отправляется на регулировку схода-развала.
Что делает работник? Он срезает хомут, крепящий пыльник, не пытаясь его снять, «задирает» его – и регулирует тяги. Затем он может вообще не надеть хомут на пыльник, или надеть обычный или пластиковый. Потому что фирменный хомут от ZF требует специального инструмента.
Но вот проблема – только он и гарантирует защиту механизма от грязи и пыли. И практика специалистов компании показывает, что примерно 70% всех повреждений рулевых реек связано с повреждением хомутов, фиксирующих пыльники. А при негерметичном соединении пыльника он начинает работать как насос, затягивая пыль, грязь и воду. В результате рулевая рейка выходит из строя гораздо раньше гарантийного срока.
Собственно, закончили свой рассказ специалисты одним простым пожеланием: не надо пытаться «чинить на коленке» рулевую рейку. При внешней простоте – это сложный и тонкий механизм. Который кувалдой не ремонтируется, так как мы вмешиваемся в процесс управления автомобилем. Он вообще не ремонтируется. Он восстанавливается только в промышленных условиях.
