Усилители управления руля. Виды и принцип работы

В качестве усилителя рулевого управления наибольшее распространение получили гидравлические усилители, состоящие из источника энергии — насоса (Н) с баком (Б), распределительного устройства (РУ) — клапана управления, исполнительного механизма (ИМ) — силового цилиндра.

Рис. Схема гидравлического усилителя рулевого управления:
1 — реактивные полости; 2 — центрирующие пружины; 3 — золотник РУ; 4 — корпус золотника РУ; 5 — продольная рулевая тяга; 6, 7 — каналы корпуса золотника; Б — бак; Н — насос; РМ — рулевой механизм; РУ — распределительное устройство (клапан); ИМ — исполнительный механизм (гидроцилиндр); S — перемещение золотника; А, В — полости

Достоинства усилителей рулевою управления следующие:

• облегчение управления автомобилем
• снижение ударных нагрузок от неровностей дороги, передающихся на рулевое колесо
• повышение безопасности при разрыве шин (автомобиль можно удержать на заданной траектории)

недостатки:

• ухудшение стабилизации управляемых колес
• повышение износа шин из-за излишне частых поворотов на месте

Кроме того, рулевое управление с гидравлическим усилителем более склонно к появлению автоколебаний. Недостатки гидравлического усилителя в основном связаны с тем, что насос приводится в действие от вала двигателя: при неработающем двигателе усилитель не работает, при малой частоте вращения вала двигателя производительность насоса может оказаться недостаточной, а при высокой частоте она обычно избыточная. Кроме того, отбор мощности составляет 4…5% мощности двигателя. В последние годы все большее распространение получают усилители, не обладающие этими недостатками: электрогидравлические и электрические.

Электрогидравлические усилители отличаются от гидравлических в основном тем, что у них привод насоса осуществляется от электродвигателя, причем часто с электронным блоком управления.

Электрические усилители вместо системы насос—клапан управления— гидроцилиндр используют электродвигатель с электронным блоком управления. Их основные преимущества: более высокая экономичность, низкий уровень шума, небольшие масса, габариты и стоимость. Одна из схем электрического усилителя рулевого управления представлена на рисунке.

Рис. Структурная схема электрического усилителя рулевого управления:
1 — рулевое колесо; 2 — датчик крутящего момента; 3 — рулевой механизм; 4 — исполнительный электродвигатель; 5 — блок управления; 6 — датчик скорости автомобиля; 7 — датчик угловой скорости электродвигателя

Рис. Компоновочные схемы рулевых управлений с гидравлическим усилителем: а — ЗИЛ; б — «Урал»; в — МАЗ; г — ГАЗ; Б — бак; Н — насос; РМ ~ рулевой механизм; РУ — распределительное устройство (клапан); ИМ — исполнительный механизм (гидроцилиндр)

В настоящее время основная масса отечественных грузовых автомобилей оснащена гидравлическими усилителями рулевого управления. Остановимся на них более подробно. По компоновке с рулевым механизмом (РМ) возможны следующие варианты:

1. РУ — ИМ — РМ в одном блоке (ЗИЛ);
2. ИМ отдельно, РУ—РМ в одном блоке («Урал»);
3. РМ отдельно, РУ—ИМ в одном блоке (МАЗ);
4. РУ, ИМ, РМ отдельно (ГАЗ).

Особенности этих компоновочных схем:

• 1-я схема: компактность, два коротких трубопровода к насосу. Недостатки: привод и вал сошки воспринимают полные нагрузки и толчки;
• 2-я схема: вал сошки разгружен, но добавились трубопроводы между РУ и ИМ;
• 3-я схема: вал сошки разгружен, имеются два длинных трубопровода;
• 4-я схема: если ИМ воздействует на рулевую трапецию, то разгружен вал сошки и часть деталей привода при удлинении трубопроводов и опасности возникновения колебаний давления в усилителе.

Требования к усилителям рулевого управления:

• при неисправном усилителе автомобиль не должен терять управляемость;
• усилитель не должен самостоятельно включаться от толчков со стороны дороги и предоставлять возможность поддерживать нужное направление движения при торможении с поврежденной шиной;
• должно обеспечиваться минимальное запаздывание в срабатывании и пропорциональность углов поворота колес и рулевого колеса;
• усилие на рулевом колесе должно быть небольшим, но пропорциональным сопротивлению повороту колес («чувство дороги»).

Рабочий процесс гидравлического усилителя заключается в следующем. При повороте рулевого колеса, например вправо, водитель смещает золотник 3 РУ влево, преодолевая усилие левой центрирующей пружины 2 и давление жидкости в левой реактивной полости 1. Каналы 6 и 7 перекрываются. Жидкость под давлением проходит в полость А ИМ, перемещая поршень ИМ вниз, так как полость А ИМ сообщена теперь только с линией нагнетания насоса, а полость В ИМ — только с линией слива.

Через тягу 5, выполняющую роль механической обратной связи колеса с РУ усилителя, обеспечивается перемещение корпуса 4 РУ влево (с золотником в крайнем левом положении). Усилитель обеспечивает слежение по перемещению: угол поворота рулевого колеса пропорционален углу поворота управляемых колес. Как только прекратится поворот рулевого колеса, остановится золотник 3, но корпус 4, продолжая смещаться, займет относительно золотника среднее положение, в котором все каналы вновь соединятся между собой. Давление в полости А упадет, так как жидкость сможет свободно проходить из линии нагнетания в линию слива. Прекратится поворот управляемых колес.

Распределительное устройство, представленное на первом рисунке, имеет открытый центр: в среднем положении жидкость свободно проходит из линии нагнетания в линию слива. В гидроусилителях рулевого управления РУ с закрытым центром и отключаемым насосом применяются редко.

На рисунке приведена зависимость усилия на рулевом колесе без усилителя Ррк и с усилителем, имеющим в РУ центрирующие пружины 2 и реактивные полости 1, Ррку от момента сопротивления повороту управляемых колес Мс.

Рис. Характеристика рулевого управлении с усилителем:
Ррк — усилие на рулевом колесе без усилители; Ррку — усилие на рулевом колесе с усилителем; Мс — момент сопротивлении повороту управляемых колес