Важнейший компонент
По сравнению с большинством других составных частей автомобилей рулевое управление совершенствуется медленно. И на то есть своя причина – оно самым непосредственным образом влияет на безопасность движения. Поэтому любые нововведения по этой части требуют тщательной отработки и длительных испытаний. Однако сие совершенно не означает, что технический прогресс проходит мимо – и здесь появляются очень интересные конструкции.
Просто и надежно
Начальный этап автомобилестроения характеризовался поиском способов изменения направления движения самодвижущихся экипажей. В тот период было предложено достаточно большое количество разнообразных технических решений. Однако довольно быстро произошел естественный отбор – выбор был сделан в пользу наиболее простой и надежной конструкции. Она включала два базовых компонента: рулевой механизм и рулевой привод. Они же остаются основными и в современном рулевом управлении.
Первый из них обеспечивает увеличение усилия, прикладываемого водителем к рулевому колесу. Кстати, неоднократные попытки заменить архаичную «баранку» на что-то другое – штурвал, джойстик и т.д. (изобретатели в обязательном порядке при этом применяют прилагательное «современное») – до сих пор не привели к успеху.
Рулевой привод состоит из рычагов и тяг и непосредственно осуществляет поворот управляемых колес автомобиля при вращении руля.
Рулевые механизмы содержат трущиеся пары, в качестве которых используются червяк и ролик, червяк и сектор, винт и гайка. Широкое распространение, причем не только на коммерческих транспортных средствах, но и на легковых автомобилях, получили рулевые механизмы с винтом и гайкой на циркулирующих шариках. Их достоинством являются малые потери на трение и длительный срок службы. В данном случае вращение рулевого вала через шарики преобразуется в продольное перемещение гайки, которая за счет зубчатого зацепления на своей внешней стороне с зубчатым сектором вызывает поворот вала сошки.
Однако эта удачная конструкция постепенно сдает свои позиции и уступает пальму первенства реечному рулевому механизму. Он состоит из закрепленной на конце рулевого вала шестерни и зубчатой рейки, перемещающейся в специальных направляющих втулках и связанной с двумя внешними тягами рулевой трапеции. Реечный механизм заправлен смазкой и имеет на концах защитные резиновые гофрированные чехлы. Вращение рулевого колеса посредством шестерни вызывает поступательное перемещение рейки и связанных с ней тяг рулевой трапеции, что и обеспечивает поворот колес автомобиля. Устройство быстро и с высокой точностью передает задаваемую водителем команду управления.
По сравнению с другими рулевыми механизмами реечный получается легче и дешевле. Кроме того, для переднеприводных легковых автомобилей с их плотной упаковкой моторного отсека он еще предпочтительнее и по компоновочным соображениям. А если нарезку зубьев на рейке сделать с переменным шагом (меньшим в ее средней части и большим на краях), то появится рулевой механизм с переменным передаточным отношением, т.е. такой, у которого поворот рулевого колеса на один и тот же угол вызывает разное перемещение управляемых колес. Данное техническое решение позволяет сочетать пониженную чувствительность рулевого управления в районе нейтрального положения «баранки» с повышенной чувствительностью при ее максимальных отклонениях, что является благоприятным как при высокоскоростном движении (требует от водителя меньшего напряжения), так и при маневрировании на парковке (не надо слишком много крутить руль).
Усердный помощник
Усилие, которое необходимо приложить к «баранке» для изменения положения управляемых колес, зависит, среди прочего, от передаточного числа рулевого механизма и диаметра самого руля. Увеличение и того, и другого позволяет либо снижать требования к физическим способностям водителя, либо наращивать полную массу автомобилей. Поэтому неудивительно, что тяжелые грузовики и большие автобусы раннего этапа автомобилизации получали огромные рулевые колеса (например, у довоенного отечественного тяжеловоза ЯГ-6 его диаметр составлял 522 мм), которые приходилось долго крутить для разворота этих транспортных средств. Однако возможности наращивания данных параметров имеют свои пределы. Выходом из создавшейся ситуации стало создание усилителей рулевого управления.
Они не только существенно облегчили управление автомобилем и сняли все ограничения по полной массе транспортного средства (грузоподъемность карьерных самосвалов достигает нескольких сотен тонн), но и благотворно сказались на безопасности дорожного движения – в случае разрыва шины одного из передних колес у водителя имеется возможность удержать машину на дороге.
Усилители рулевого управления выполняются таким образом, чтобы в случае выхода их из строя сохранялась возможность управления автомобилем. Они подразделяются на пневматические, гидравлические и электрические. Первыми стали применять пневматические, которые включали воздухораспределитель, силовой пневматический цилиндр, систему рычагов и комплект воздухопроводов (или, попросту говоря, шлангов). Сжатый воздух, необходимый для их функционирования, брался от пневматической тормозной системы, т.е. данные полезные устройства предназначались только для тяжелых грузовиков с пневмотормозами (в противном случае требовалась еще установка компрессора с ресивером). У нас ими комплектовали ЯАЗ-214, ЯАЗ-219, КрАЗ-257.
Достоинствами пневмоусилителей являются простота конструкции и невысокие требования к качеству уплотнителей (в случае небольшой утечки воздуха ничего страшного не происходит). Однако сравнительно низкое давление сжатого воздуха ведет к тому, что пневмоцилиндры получаются внушительных размеров. Имеется у них и другой существенный недостаток – малое быстродействие, так что особо не погоняешь. В результате от пневмоусилителей отказались, им на смену пришли гидроусилители.
Гидравлические усилители рулевого управления компактны и бесшумны. По сравнению с предшественниками они обладают повышенным быстродействием, но при этом чувствительны к качеству уплотнителей (даже не слишком сильные утечки ведут к потере жидкости, иначе говоря, к их отказу) и требуют более тщательного технического обслуживания. По устройству гидроусилитель близок к пневмоусилителю и также содержит распределитель (естественно, гидрораспределитель) и силовой цилиндр (гидроцилиндр). Давление жидкости создает гидронасос (приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля или собственного электромотора), а сама она поступает из бачка. Само собой, все это хозяйство соединено трубопроводами. Конструктивно гидравлический усилитель может выполняться как отдельно от рулевого механизма (такой применялся на ГАЗ-13 «Чайка», начало серийного выпуска – январь 1959 года), так и объединенным с ним в единое целое (ЗИЛ-111, ноябрь 1958 года). Между прочим, отечественный автопром освоил выпуск гидроусилителей в начале 1950-х годов – сначала им стали комплектовать 25-тонные карьерные самосвалы МАЗ-525, а затем междугородние автобусы ЗИС-127.
Целая эпоха
Во второй половине прошлого века гидравлические усилители получили широчайшее распространение, причем не только на грузовиках и автобусах, но и на легковых автомобилях. Ныне их конструкция доведена до совершенства. На легковых автомобилях они применяются совместно с реечными рулевыми механизмами и механизмами типа «винт – шариковая гайка». В первом случае шток поршня гидроцилиндра и зубчатая рейка соединены друг с другом и могут перемещаться только вместе. Насос забирает жидкость из бачка и под давлением порядка 100 бар подает ее на золотниковый гидрораспределитель, который содержит торсион, установленный в разрыве рулевого вала. Когда к рулевому колесу не прикладывается вращающий момент (например, при прямолинейном движении), данный торсион находится в свободном состоянии и детали распределителя располагаются таким образом, что поступающая от насоса жидкость через распределитель сливается обратно в бачок.
Теперь пора поворачивать. Водитель начинает вращать руль, и это приводит к скручиванию торсиона, а компоненты распределителя занимают такое положение, при котором одна из полостей гидроцилиндра соединяется с насосом, а другая – со сливной магистралью. Поршень, а вместе с ним рейка и тяги рулевой трапеции приходят в движение. Их перемещение будет продолжаться до тех пор, пока торсион снова не выпрямится.
Так же действует и рулевое управление с механизмом типа «винт – шариковая гайка» и гидравлическим усилителем. Однако здесь самостоятельного гидроцилиндра как такового нет, а его функцию выполняет сам рулевой механизм. В качестве поршня выступает гайка – теперь это уже гайка-поршень.
Гидронасосы обоих описанных устройств могут приводиться во вращение через ременную передачу от двигателя автомобиля. Так оно и происходило ранее. И все работало безупречно, однако при этом большую часть времени жидкость гонялась впустую через распределитель, и на это расходовалась какая-то энергия. Сэкономить ее удалось, применив для привода насоса отдельный электромотор – он включается только тогда, когда необходимо, т.е. при маневрировании. Помимо снижения расхода топлива данное техническое решение позволяет легче компоновать моторный отсек – насос, электродвигатель и бачок с жидкостью объединяют в один модуль, который можно расположить в любом подходящем месте, хоть на корпусе самой зубчатой рейки. Не менее важно и то, что такое рулевое управление подходит для гибридомобилей, проходящих часть пути на электротяге с выключенным двигателем внутреннего сгорания.
При выборе параметров усилителя конструкторам автомобилей приходится идти на компромисс, так как при маневрировании на парковке желательно иметь максимально «легкий» руль, а при скоростном движении по автомагистрали приоритет отдается «чувству дороги», которое тем лучше, чем слабее усиление. Избежать мук творчества позволяет усилитель с переменным коэффициентом усиления. Такое устройство входит в состав рулевого управления, предлагаемого компанией ZF Lenksysteme (это совместное предприятие Robert Bosch и ZF Friedrichshafen). Оно получило фирменное название Servotronic. Управление коэффициентом усиления, причем обратно пропорциональное скорости движения, осуществляет электронный блок.
Электроника. Она добралась и до рулевого управления. А ведь есть еще и электродвигатель, приводящий гидронасос. Дальнейшие действия напрашиваются сами собой – выбросить все гидравлическое и заставить электромотор напрямую «толкать» колеса. При этом сразу отпадут все проблемы, связанные с утечками, правда, появятся новые из-за электрических контактов. Но плюсов все равно будет больше. Так и поступили, и получили электроусилитель.
Блестящие перспективы
Несмотря на то что электрические усилители рулевого управления появились сравнительно недавно, уже создано огромное количество различных их вариантов. Столь пристальное внимание к ним объясняется целым рядом достоинств, присущих данным устройствам. Они экологичны, экономичны, компактны, технологичны (их легко монтировать при сборке автомобиля на конвейере), недороги (доступны для применения на бюджетных моделях). Этот список можно продолжить – электроусилители позволяют легко реализовывать сложные алгоритмы изменения коэффициента усиления (включающие координацию с действиями системы динамической стабилизации), настраивать его параметры в соответствии со вкусами водителя, служить исполнительным механизмом системы автоматической парковки.
Основными компонентами электрических усилителей рулевого управления являются датчик крутящего момента (прикладываемого водителем к рулевому колесу), электронный блок управления и электродвигатель (исполнительный механизм). Датчик содержит уже знакомый 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. Каждый из вариантов имеет свои плюсы и минусы. Между прочим, многовариантность устройства также является его достоинством, так как развязывает руки конструкторам при компоновке автомобиля.
Ранние образцы электроусилителей имели пониженное быстродействие из-за ограниченной мощности электродвигателей и по этому показателю уступали гидроусилителям, но благодаря более низкой стоимости находили применение на недорогих моделях, а в автомобилях премиум-класса продолжали использовать гидравлику. Однако в новейших разработках этот недостаток практически устранен, и можно предположить, что, по крайней мере, в легковых автомобилях по рассматриваемой теме скоро установится царство электричества.
Вершину совершенства среди рулевых управлений занимает активное устройство. Оно способно самостоятельно поворачивать колеса, хотя и в ограниченных пределах. Первым в 2003 году его применила компания BMW, а поставщиком данного изделия является ZF Lenksysteme. В основе – планетарная передача, благодаря которой вращение шестерни рулевого механизма может осуществлять или водитель, или специальный электродвигатель, или оба одновременно. В последнем случае в зависимости от совпадения или несовпадения направлений вращения угол поворота колес автомобиля получается больше или меньше задаваемого человеком.
В активном рулевом управлении легко реализуется переменное передаточное отношение, а взаимодействие его с другими системами автомобиля позволяет при торможении на неоднородных покрытиях типа «микст», когда транспортное средство стремится к разворачиванию в сторону поверхности с большим коэффициентом сцепления, сохранять прямолинейность движения. Кроме того, оно является одним из исполнительных механизмов (наряду с двигателем и тормозами) системы динамической стабилизации.
Базой для создания таких замечательных устройств служат обычные рулевые управления, как с гидравлическим усилителем, так и с электрическим. А вместо планетарной передачи подходит и волновая (с 1960-х годов применяется в космической технике, для которой она и создавалась). Последняя разработка компании ZF Lenksysteme как раз содержит и волновую передачу, и электроусилитель.
Поиск дальнейших путей совершенствования рулевых управлений продолжается. И новых идей предостаточно. Однако всем им предстоит пройти длительные и суровые проверки на опытных образцах, и только затем лучшие из них станут основой серийных изделий. В этом деле предпочтительнее перестраховаться, чем проявлять беспечность.
В статье использованы иллюстрации компании ZF Lenksysteme
