Для чего нужен ГУР? Большинство автолюбителей ответят: "Для того, чтобы легче крутить руль". И будут правы, но отчасти. Кроме повышения комфорта, гидроусилитель позволяет уменьшить передаточное число рулевого управления. Что это дает? Чем больше передаточное число, тем меньшее усилие нужно прилагать для поворота колес. Но количество оборотов руля от упора до упора при этом будет равным 4-5. Уменьшая передаточное число, можно довести количество оборотов руля до 2-3. Управляемость, маневренность и острота реакций автомобиля улучшается, что особенно важно в аварийной ситуации, когда может не хватить времени для вращения руля с перехватами. Кроме того, у гидроусилителя есть еще несколько и преимуществ, и недостатков, о которых будет сказано ниже.
Гидроусилитель может устанавливаться на автомобили с рулевым управлением разных типов: червячным, винт-шариковая гайка. Мы расмотрим самый распространенный вариант - рейку. В состав системы гидроусиления входят:
насос
распределитель
силовой цилиндр
бачок и соединительные шланги
Насос гидроусилителя, как и любой другой насос, предназначен для создания и поддержания необходимого давление в системе и циркуляции рабочей жидкости (специального масла). Конструкция насоса может быть разной. Самые распространенные - лопастные, характеризующиеся высоким к.п.д. и износоустойчивостью. Насос крепится на двигателе и приводится в действие с помощью ремня от коленвала.
Распределитель, в зависимости от положения руля, направляет поток жидкости в соответствующую полость силового цилиндра или обратно в бачок. Он устанавливается на рулевом валу. Основные части распределителя - золотниковый клапан и торсион. Клапан состоит из двух цилиндрических частей с каналами для жидкости: внешней и внутренней. Торсион - это тонкий пружинистый металлический стержень, способный закручиваться под действием крутящего момента. Один конец торсиона соединен с рулевым валом, а второй - с шестерней, входящей в зацепление с рейкой. Внутренняя часть золотникового клапана соединяется с верхней частью торсиона, а внешняя - с его нижней частью.
Силовой цилиндр встроен в рейку. Он состоит из поршня и штока, перемещающего рейку под действием давления жидкости.
Рабочая жидкость передает усилие от насоса через распределитель к силовому цилиндру и смазывает все пары трения. Резервуаром для жидкости служит бачок. В нем может быть расположен фильтр, а в пробке — щуп для измерения уровня. Шланги высокого давления соединяют насос, распределитель и силовой цилиндр, а по шлангам низкого давления жидкость поступает в насос из бачка и возвращается в него из распределителя.
Принцип действия
Как все это работает? Когда руль неподвижен (автомобиль стоит на месте, или движется по прямой), и система гидроусиления не задействована, в распределителе совмещены маслопроводы подачи и стока. Жидкость вхолостую перекачивается насосом через распределитель обратно в бачок. Когда водитель поворачивает руль, тем самым он закручивает торсион, а вместе с ним крутится и внутренняя часть золотникового клапана. Внешняя же часть пока остается неподвижной. Таким образом совмещаются каналы подачи жидкости в соответствующую полость силового цилиндра (в зависимости от того, в какую сторону повернут руль). Из другой полости силового цилиндра жидкость по открывшимся каналам сливается в бачок.Чем на больший угол повернут руль, тем сильнее закручивается торсион. Поэтому большим оказывается и размер перепускного отверстия, а, значит, и усилие, воздействующее на рейку. Рейка, перемещаясь, раскручивает через шестерню нижний конец торсиона, а вместе с ним и внутреннюю часть золотника. Обе части клапана возвращаются в исходное положение, и жидкость вновь перекачивается через распределитель в бачок.
В случае отказа системы гидроусиления потери управления не происходит, поскольку рулевой вал через торсион механически соединен с ведущей шестерней. Согласно нормам безопасности усилие на рулевом колесе легкового автомобиля не должно превышать 15 кг для полностью работоспособной и 30 кг — для неисправной системы рулевого управления. Быстродействие усилителя должно быть таким, чтобы при скорости вращения руля не менее полутора оборотов в секунду его не «закусывало».
Преимущества и недостатки
К перечисленным выше преимуществам ГУРа можно добавить смягчение ударов, передаваемых на руль от неровностей дороги и более четкое удержание автомобиля на выбранной траектории. Каким образом это происходит? Если, наехав на препятствие, колеса стремятся повернуться в сторону, это вызывает смещение рулевой рейки, ведущей шестерни и закручивание нижней части торсиона. Срабатывает золотниковый клапан, но "в обратную сторону", так как усилие пришло не от руля, а от колес. Поэтому система будет не способствовать повороту колес, а противодействовать ему. То же самое происходит и при внезапном проколе шины: УР помогает автомобилю сохранять траекторию, а водителю - удержать руль в руках. Таким образом, усилитель повышает безопасность движения, а за счет повышения комфортности вождения снижает утомляемость водителя.
А теперь о недостатках. Во-первых, постоянно работающий насос отбирает часть мощности двигателя, даже когда ГУР не задействован. Причем производительность насоса должна быть такой величины, чтобы обеспечить легкий поворот колес на стоящем автомобиле - когда сопротивление максимально. Но ведь большую часть времени автомобиль движется, и усилий для поворота колес при этом нужно намного меньше! Вот и получается, что значительная часть отобранной у двигателя мощности пропадает впустую.
Во-вторых, производительность насоса зависит от оборотов двигателя - чем они выше, тем большее давление создает насос. А по идее все должно быть как раз наоборот - при малых скоростях движения необходимо максимальное усиление, а при высоких - небольшое. В простом гидроусилителе отсутствует возможность регулирования коэффициента усиления.
Из этого обстоятельства проистекает третий недостаток - противоречие между коэффициентом усиления и информативностью руля. Легкость и комфортность управления на малых скоростях имеет обратную сторону - "пустоту" руля на больших. Машина слишком "остро" реагирует на каждое движение руля, а отсутствие ощущения сопротивления ("обратной связи") при повороте колес не дает возможности водителю правильно оценить их положение. Отчасти решить проблему помогают рейки с переменным передаточным отношением: в центре шаг зубьев небольшой, а к краям увеличивается. В этом случае при малых углах поворота машина не так остро реагирует на действия рулем, что очень важно на больших скоростях, зато на развороте крутить руль приходится меньше. Чем плох этот вариант? А тем, что передаточное отношение зависит от угла поворота руля, а не от скорости движения. Поэтому конструкторы стали искать другие пути.
Электрогидравлический усилитель:
На помощь механике и гидравлике, как всегда, пришла электроника. В результате такого симбиоза появился электрогидравлический усилитель. Впервые его применили на автомобилях "Аudi" под названием "Servotronic". Существует два типа ЭГУРа: с электромагнитным клапаном и с электронасосом. Управляет работой усилителя электронный блок на основании показаний датчиков скорости, поворота руля, оборотов коленвала. Набор датчиков может меняться в зависимости от модели автомобиля.
В первой конструкции в распределитель ГУРа дополнительно встраивается электромагнитный клапан и камера обратного действия с поршнем. При повороте колес на месте или при движении с малой скоростью клапан открыт, давление в системе максимально - руль крутить легко. При наборе скорости клапан, управляемый блоком, пропорционально закрывается. В результате давление в системе уменьшается, а усилие на руле увеличивается. Таким образом, получаем искомое чувство "обратной связи".
Во второй, более совершенной конструкции, гидронасос заменен электронасосом, т.е. приводится не от коленвала, а отдельным электромотором. Управляет его работой опять же блок управления. На малых скоростях скорость вращения насоса максимальна, а на больших - ограничивается блоком управления. Поэтому чем выше скорость движения - тем "тяжелее" становится руль. Замена гидронасоса электронасосом позволяет снизить расход топлива до 0,2 л на 100 км.
