Главным преимуществом электрического привода рулевого управления относительно гидроусилителя является отсутствие гидравлики, а значит насоса гидроцилиндра, шлангов. Это позволяет уменьшить массу усилителя рулевого управления и объем, занимаемый управлением в подкапотном пространстве.
Известно, что ряд факторов приводит к уводу автомобиля от прямолинейного движения, например, разное давление воздуха в шинах, разная степень износа протектора, боковой ветер, поперечный уклон дороги. Применение электромеханического усилителя позволяет активно поддерживать возврат управляемых колес в среднее положение. Эта функция называется «активной самоустановкой» колес. Благодаря ее действию водитель лучше чувствует среднее положение рулевого управления, она облегчает также вождение автомобиля по прямой при воздействии на него различных внешних сил.
Общее расположение агрегатов рулевого управления с электроусилителем на примере автомобиля Opel Corsa показано на рис. 14.21.
Разрез электроусилителя рулевого управления с приводом рулевого управления на рулевой колонке показан на рис. 14.22.
Электроусилитель через червячную передачу связан с валом рулевого управления. В зависимости от полярности напряжения питания электродвигатель вращается в ту или иную сторону, помогая водителю поворачивать колеса. Крутящий момент величиной силы тока, определяемой блоком управления, действующим согласно заложенной в него программе и сигналам, поступающим от соответствующих датчиков.
Вал электродвигателя, при подаче на двигатель напряжения помогает поворачивать вал привода рулевого колеса через червяк и червячное колесо. Для поддержания постоянной обратной связи с дорогой входной и выходной валы электроусилителя соединены друг с другом через торсион. Приложение усилия к рулевому управлению как со стороны водителя, так и со стороны дороги приводит к закручиванию торсиона до 3-х градусов и изменению взаимной ориентации входного и выходного валов. Это служит сигналом для включения в работу электроусилителя. В зависимости от угла поворота рулевого колеса и скорости автомобиля электродвигатель подкручивает выходной вал, снижая усилие. Работает электродвигатель и при обратном ходе, он помогает возвращать колеса автомобиля и рулевое колесо в первоначальное положение. Торсион при поворотах всегда остается немного скрученным, гарантируя тем самым на руле то усилие, которое необходимо водителю, чтобы чувствовать дорогу.
Производитель автомобилей Ауди предлагают систему реечного электроусилителя с двумя шестернями (рис. 14.23).
Усилитель действует на рейку рулевого механизма через шестерню 3, которая установлена параллельно с основной шестерней рулевого механизма 2. Шестерня усилителя 3 приводится от электродвигателя 4. Передаваемый на шестерню 2 рулевого механизма крутящий момент измеряется датчиком момента 1. Величина развиваемого усилителем крутящего момента устанавливается электронным блоком управления 5 в зависимости от момента на рулевом колесе, скорости автомобиля, угла поворота колес, скорости поворота рулевого вала и других вводимых в него данных.
Электродвигатель и редуктор размещены в общем алюминиевом корпусе 2 (рис. 14.24). На конце вала двигателя нарезан червяк 3.
Червячная передача служит для привода шестерни усилителя. Между червячным колесом и шестерней установлен демпфер 5, который исключает резкое нарастание усилия на рейке при включении усилителя. Положение (угол поворота) ротора электродвигателя определяется с помощью датчика поворота 6 (рис. 13.13). Этот датчик расположен под возвратным и скользящим кольцами подушки безопасности. Он установлен на рулевой колонке между подрулевыми переключателями и рулевым колесом. Датчик генерирует сигнал, соответствующий углу поворота рулевого колеса.
Водитель поворачивает рулевое колесо, прикладывая к нему определенный крутящий момент. Под действием этого момента закручивается торсион. Датчик момента 1 на рулевом колесе (рис. 14.23) измеряет величину его закрутки и направляет соответствующий сигнал на вход блока управления 5. При этом с датчика поворота колеса 6 поступают сигналы, соответствующие моментальному углу поворота рулевого колеса и скорости его поворота.
Блок управления рассчитывает крутящий момент, который должен развивать двигатель усилителя в зависимости от момента на рулевом колесе, скорости автомобиля, частоты вращения вала двигателя, угла и скорости поворота рулевого вала, а также с учетом записанных в его памяти характеристик. Рассчитанная таким образом величина служит для управления электродвигателем усилителя. На основании заданных характеристик блок управления подаёт управляющий сигнал на электродвигатель, который передаёт необходимый дополнительный момент через рулевой механизм на рулевые тяги. Перемещение рейки рулевого механизма происходит под действием суммарного усилия, создаваемого как в результате преобразования крутящего момента на рулевом колесе, так и момента двигателя усилителя.
Если водитель перестал вращать рулевое колесо или отпустил его, торсион полностью раскручивается. При этом момент на шестерне рулевого механизма снижается до нуля. Ввиду определенной геометрии подвески при повороте колес возникают реактивные усилия, которые стремятся вернуть их в исходное положение. Обычно эти силы настолько малы, что не могут преодолеть силы трения в механизмах рулевого управления и вернуть колеса в среднее положение. Такая ситуация распознается блоком управления по сигналу датчика поворота 6 рулевого вала.
Блок управления рассчитывает крутящий момент, который должен развивать электродвигатель усилителя для поворота колес автомобиля в среднее положение. Величина этого момента зависит от момента на рулевом колесе, скорости автомобиля, частоты вращения вала двигателя, угла и скорости поворота рулевого вала; она определяется с учетом записанных в памяти блока управления характеристик.
В результате включается электродвигатель усилителя, который поворачивает колеса автомобиля в среднее положение.
При отключенной или неисправной аккумуляторной батарее и работающем двигателе блок управления бортовой сетью обеспечивает питание электромеханического усилителя от генератора. При необходимости производится отключение определенных потребителей электроэнергии, имеющих более низкий приоритет подключения к сети. При отключении усилителя по причине системной неисправности рулевое управление полностью сохраняет свою работоспособность, а автомобиль – управляемость.
В более поздних конструкциях Audi, например, Sportback в рулевом управлении используется электроусилитель с электродвигателем коаксиально расположенным вокруг зубчатой рейки (рис. 14.25). Зубчатая рейка разделена на две части, одна из которых 5 представляет собой ходовой винт, а другая 2 – рейку. Ротор электродвигателя 4 соединен с гайкой 6 с циркулирующими шариками, которая входит в зацепление с частью рейки 5. Ротор электродвигателя конструктивно представляет собой полый цилиндр, устанавливаемый на зубчатой рейке. Ротор вращает гайку, которая вращаясь, помогает перемещать рейку.
Зубчатая рейка, электродвигатель, механизм винт-гайка с циркулирующими шариками, электронный блок управления и все необходимые датчики совмещены в одном компактном узле. Блок управления 7, на основании получаемой информации о положении ротора и величине усилия (момента) на рулевом колесе, вычисляет необходимые напряжения на отдельных фазах. Для определения этого момента служит датчик момента поворота рулевого колеса 8. Возникающие в результате в фазовых цепях токи создают определенный вращающий момент электродвигателя, который зависит от силы тока. Основой для расчёта необходимого усиливающего момента рулевого механизма является значение момента, с которым водитель поворачивает рулевое колесо. Как и в обычном рулевом управлении с гидроусилителем, рулевой вал и вал-шестерня соединены между собой торсионным стержнем. Когда водитель поворачивает рулевое колесо, торсионный стержень закручивается. При этом рулевой вал оказывается повёрнутым относительно вала-шестерни на угол, величина которого зависит от момента, прилагаемого водителем к рулевому колесу. Угол поворота колеса измеряет датчик 9 угла поворота рулевого колеса.
Шариковая гайка может также приводится зубчатым ремнём от двигателя (рис. 14.26). Принцип действия такого привода в основном соответствует принципу действия рулевого управления, описанному выше. Различие заключается в способе привода шариковой гайки.
Преобразование вращательного движения ротора электродвигателя в поступательное движение зубчатой рейки осуществляется с помощью механизма винт-гайка с циркулирующими шариками.
Принцип действия шариково-винтовой передачи аналогичен принципу действия обычной винтовой пары. Витки резьбы заменены беговыми канавками, соединение между винтом (ходовым винтом) и гайкой (шариковой гайкой) обеспечивается шариками в беговых канавках (рис. 14.27). Шарики вращаются подобно элементам качения подшипника по замкнутому контуру.
Для реализации такого принципа вращения в шариковой гайке имеется возвратный канал, соединяющий «начало» и «конец» беговых канавок шариковой гайки друг с другом. При изменении направления вращения гайки изменяется и направление качения шариков, а вместе с этим также и направление продольного перемещения зубчатой рейки.
В электроусилителях этого типа устанавливаются датчик момента поворота рулевого колеса и датчик положения ротора.
Датчик момента поворота рулевого колеса (рис. 14.28) представляет собой кольцевой постоянный магнит с восемью парами полюсов жёстко связан с рулевым валом. Два зубчатых диска, с восемью зубьями каждый, жёстко соединены с валом-шестернёй. При этом эти диски повёрнуты друг относительно друга так, что если смотреть сверху (вдоль оси вала), то зубья одного диска будут находиться точно в промежутках между зубьями другого диска. Посередине между обоими дисками находятся два датчика Холла, жёстко связанные с корпусом датчика.
Если рулевое колесо не повёрнуто, диски находятся в таком положении относительно кольцевого магнита, что их зубья стоят точно посередине между соседними полюсами магнита (северным и южным) (рис. 14.29, а). Таким образом, через оба зубчатых диска проходит одинаковое количество магнитных линий от каждого из полюсов. Магнитное поле между зубчатыми дисками отсутствует. Оба датчика Холла передают одинаковый выходной сигнал.
Поворот рулевого колеса (рис. 14.29, б) приводит к закручиванию торсионного стержня и, тем самым, к повороту кольцевого магнита относительно зубчатых дисков. В результате поворота кольцевого магнита изменяется положение полюсов магнита относительно зубьев обоих дисков, зубья дисков больше не находятся посередине между соседними северным и южным полюсами. В зависимости от направления, приложенного к рулевому колесу крутящего момента зубья одного из дисков будут в большей степени находиться напротив северных полюсов магнитов, а зубья другого — напротив южных. Это вызовет возникновение магнитного поля между обоими дисками, которое будет зафиксировано датчиками Холла.
Датчик положения ротора (рис. 14.30) служит для определения положения ротора электродвигателя. Блок управления должен знать точное положение ротора, чтобы правильно рассчитать фазовые напряжения, необходимые для создания вращающегося магнитного поля статора (электронная коммутация с использованием сигналов датчиков). Сигнал датчика положения ротора используется также для определения приближения к одному из крайних положений рулевого механизма. В зоне непосредственной близости к крайнему положению степень усиления рулевого механизма «мягко» увеличивается, это позволяет избежать резких ударов об ограничитель при быстром вращении рулевого колеса.
На роторе установлен диск из магнитопроводящего металла, имеющий по внешнему ободу выступы, напоминающие кулачки. Этот диск окружён установленным на корпусе кольцом из магнитных катушек, действующим как статор. Кольцо состоит из трёх отдельных катушек, одна из них играет роль катушки возбуждения, а две остальные служат чувствительными элементами. На катушку возбуждения подаётся сигнал напряжения синусоидальной формы. Создаваемое катушкой магнитное поле действует на диск ротора. Диск ротора проводит магнитный поток создаваемого катушкой возбуждения переменного магнитного поля к приёмным катушкам. Тем самым в приёмных катушках наводится переменное напряжение, сдвинутое по фазе относительно напряжения в катушке возбуждения, причём этот сдвиг по фазе пропорционален положению роторного диска.
Современные системы электроусилителей ограничены по эффективной мощности при применяемом бортовом напряжении 12 В, поэтому на современном этапе такие системы находят применение только на легковых автомобилях.