Рулевые управления, какэлементы электронных систем ESV

Как уже отмечалось, на легковых автомобилях, предназначенных для скоростного движения по дорогам с твердым покрытием, используются в основном реечные рулевые механизмы. На переднеприводных – всегда, на заднеприводных – в 90% случаях.

Даже на автомобилях США: Cadillac, Buick, Ford, Pontiac с задним или полным приводом, традиционно применявших редукторные рулевые механизмы, в настоящее время используются реечные рулевые механизмы. Редукторные рулевые механизмы типа винт с шариковой гайкой или глобоидальный червяк ролик сохранились на некоторых автомобилях повышенной проходимости типа Jeep (например,Aro 10, Aro 24 - Румыния, Tata- Индия) и на устаревших моделях. Исключение составляет рулевой механизм ZF-Servotronic, который используется на дорогих автомобилях спортивного типа. Этот рулевой механизм типа винт - шариковая гайка- рейка -сектор имеет электроннорегулируемое реактивное устройство, обеспечивающее хорошее «чувство дороги».

Усилители рулевого управления применяются практически на всех грузовых автомобилях, автобусах и на ~ 90% легковых автомобилей. Усилители не устанавливаются только на дешевых автомобилях с массой в снаряженном состоянии менее 1000 кг. Во многих случаях, если их масса превышает ~ 800 кг, усилитель на таких автомобилях устанавливается по заказу. На автомобилях с полной массой более 2 тонн обычно устанавливаются гидроусилители. На автомобилях с полной массой менее 1,5 т используются электроусилители. Автомобили с полной массой 1,5 - 2 т комплектуются или гидроусилителями, или электроусилителями.

Ни реечное рулевой управление, ни усилитель рулевого управления непосредственно не формируют ESV, однако облегчают внедрение не зависящих от водителя управляющих устройств, так как жесткость реечного рулевого механизма сокращает время реального автомобиля на поворот рулевого вала, а усилитель легко совместить с контроллером электронного управления. Это особенно касается электрических усилителей.

Еще несколько лет назад усилители рулевого управления применялись только на автомобилях высших классов. В настоящее время, с ростом требований по безопасности дорожного движения, повышения потребительских качеств и комфортабельности автомобилей в низшей ценовой категории усилители рулевого управления стали получать более широкое применение.

Особенно широкое внедрение усилителей рулевого управления в автомобили всех классов (включая класс «А») стало возможным с появлением электрических усилителей руля.

Электрический усилитель, по сравнению с гидравлическим, обладает рядом преимуществ:

- более низкая себестоимость изготовления (не требуется дорогостоящее оборудование для изготовления прецизионных деталей гидравлических систем, меньшее количество деталей) и, поэтому, меньшая цена;

- меньшие габаритные размеры, меньшее количество агрегатов (нет насоса, бачка, шлангов и т.п.) и вес всей системы, в целом;

- повышение экономичности автомобиля (нет необходимости постоянного приводить в действие насос гидравлической системы управления);

- возможность более простого и более гибкого регулирования для различных условий движения автомобиля (снижение усилий на рулевом колесе при низких скоростях в режиме маневрирования и улучшения обратной связи – увеличения усилия – на высоких скоростях).                  

В отличие от гидравлического усилителя нет необходимости в преобразовании одного вида энергии в другую. В электроусилителе электрический сигнал, поступающий от электрических датчиков, обрабатывается компьютером и, после усиления, в виде той же электрической энергии подается на исполнительной устройство – электродвигатель.

Появление более дешевых и компактных электрических усилителей управление предопределило широкое внедрение усилителей рулевого управления на автомобили всех классов.  

Современные гидравлические усилители тоже стали более «интеллектуальными» и экономичными: производительность насоса снижается с возрастанием скорости движения автомобиля, а, иногда, на высоких скоростях движения автомобиля насос отключается полностью. Но все это требует наличия дополнительных агрегатов и систем управления (электромагнитные, или другие муфты привода насоса, дополнительные блоки для их управления и т.д.), что, в свою очередь, не удешевляют систему.

Но пока еще, без гидравлических усилителей нельзя обойтись на тяжелых автомобилях более высоких классов: «D», «Е», «F», т.к. при требуемых высоких усилиях в рулевом управлении электроусилители теряют (при сегодняшнем уровне технологии) преимущества по массе, габаритам и потребляемой энергии.

Ниже будут представлены наиболее характерные схемы рулевых управлений с электрическими усилителями. На рис.9.1 приведен один из вариантов рулевого усилителя с электродвигателем.

Рис. 9.1. Конструкция рулевого усилителя с электроприводом:

1- ведомый рулевой вал,;2- торсионный вал, 3- датчик момента, 4- ведущий рулевой вал, 5- червячный редуктор, 6- электродвигатель, 7- блок управления

Внутри «полого» рулевого вала 4 встраивается торсионный вал 2. При вращении руля торсион 2 закручивается, и датчик момента 3 регистрирует взаимное смещение индуктивных катушек, связанных с ведущим и ведомым рулевыми валами (это техническое решении во много раз проще и дешевле золотника, применяемого в гидравлических усилителях). Чем больше относительное смещение катушек и ниже скорость автомобиля, тем более высокое питающее напряжение, которое после обработки в блоке управления, подается к электродвигателю 6, «докручивающему» через червячный редуктор 5 ведомый рулевой вал 1, помогая водителю в управлении автомобилем.

Совместное предприятие ZF LenksystemeGmBH, образованное на равных началах фирмами RobertBoschGmBH и ZF Friedrichshafen AG, развернуло крупносерийное производство рулевых механизмов с электроусилителем, предназначенных для автомобилей           «Фольксваген Гольф» новой серии (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Унифицированное рулевое управление Servolectric с электрическим усилителем производства совместным предприятием ZF LenksystemeGmBH для автомобилей класса «С» («гольф-класса»)

Под названием Servolectric будет производиться целое семейство рулевых механизмов. Усилитель, монтируемый на рулевой колонке, предназначен для автомобилей классов «А» и «В». У автомобилей «С» — класса («VW Golf V», «Audi A3» и т.п.) сервопривод расположен или на валу приводной шестерни, или на второй шестерне. На внедорожниках или развозных фургонах электродвигатель будет воздействовать прямо на рулевую рейку с помощью винтового механизма (рис. 9.3).

По сравнению с гидроусилителем - Servolectric позволяет сэкономить до 0,25 л топлива на 100 км; он легче, проще и экологически чище. При планируемой годовой программе выпуска в 2 млн. агрегатов и при среднем пробеге каждого автомобиля в 10000 км электроусилители помогут сберечь до 50 млн. литров топлива.

а)                             б)                                             в)

Рис.9.3. Варианты исполнения рулевых механизмов Servolectric:

а)-для автомобилей малого класса — усилитель встроен в рулевую колонку,

б)- для автомобилей среднего класса,в)- для автомобилей большого класса и микроавтобусов — электроприводусилителя интегрирован с рулевой рейкой

«Родной» электроусилитель руля автомобиля «VWGOLFV»аналогичен представленному выше механизму — электромотор воздействует не на рулевой вал, а на рейку, поворачивая ее с помощью еще одной рулевой шестерни. Подобная схема наиболее распространена в настоящее время (рис. 9.4).

Рис.9.4. Рулевой механизм со встроенным электроусилителем автомобиля            VWGOLFV

Электроусилители руля начали применяться и в США — «Chevrolet Malibu» 2004 модельного года стал первым американским автомобилем, оборудованным рулевым механизмом с электрическим усилителем Delphi (рис.9.5). Механизм Delphi имеет переменный коэффициент усиления — электроника 500 раз в секунду анализирует информацию о скорости машины и соответственно корректирует степень «помощи» усилителя. Кроме того, электродвигатель (встроен, вместе с редуктором в реечный механизм с другой, относительно шестерни рулевого привода, стороны) не только осуществляет помощь при повороте рулевого колеса, но и по командам компьютера автоматически возвращает рулевое колесо в нейтральное положение. Также осуществляется демпфирование толчков и ударов от неровностей дороги, приходящихся на руль. А главное преимущество — экономия до 4% топлива.

Рис.9.5. Механизм Delphi автомобиля Chevrolet Malibu

На спортивном автомобиле «MAZDARX8» (рис. 9.6) установлен реечный рулевой механизм со встроенным электрическим усилителем. Механизм обладает очень компактными размерами. Это стало возможным благодаря применению оригинальных технических решений.В отличие от обычных электроусилителей, электромоторы которых вращают рулевой вал (с помощью традиционного, для таких механизмов, червячного редуктора), механизм на RX-8 больше похож на обычный гидроусилитель — просто рулевая рейка перемещается не гидроцилиндром, а электродвигателем с помощью шариковой гайки. В результате уменьшился не только габаритный размер механизма, но и улучшилась информативность рулевого управления, что немаловажно для спортивного автомобиля.

Рис.9.6.Рулевой механизм автомобиля MAZDARX8 со встроенным электродвигателем и редуктором типа шариковой гайки

Электроусилитель EPS автомобиля «Lexus IS250»так же, как и механизм автомобиля MAZDARX-8, имеет встроенный электродвигатель и «шариковый» редуктор и может изменять усилие на руле в зависимости от дорожной ситуации (рис.9.7). К примеру, если датчики фиксируют недостаточную поворачиваемость, система увеличивает усилие на руле, мешая водителю «перекрутить» его еще сильнее и усугубить ситуацию. При заносе — наоборот: руль услужливо ослабнет, если поворачивать его в правильную сторону. Звучит страшновато — будто машина управляет сама собой. Но на практике это вмешательство почти незаметно.

Рис .9.7. Рулевой механизм EPS автомобиля Lexus IS250

На этом можно завершить обзор усилителей рулевого управления и подвести некоторый итог. Уже сейчас электрические усилители доминируют в классах «А», «В» и «С». С повышением КПД электрических приводов, уменьшением их габаритных размеров и веса проникновение электрических усилителей в более «старшие» классы будет неизбежным, ввиду, указанных выше, их преимуществ по сравнению с гидравлическими усилителями.