Гидравлический усилитель руля – автомобильная гидравлическая система, часть рулевого механизма, предназначенная для облегчения управления направлением движения автомобиля при сохранении необходимой «обратной связи» и обеспечении устойчивости и однозначности задаваемой траектории.
Усилитель рулевого управления (рис. 14.4) представляет из себя гидравлическую систему, состоящую из следующих элементов.
Насос обеспечивает давление и циркуляцию рабочей жидкости в системе. Наибольшее распространение получили пластинчатые насосы (рис. 2) благодаря их высокому к. п. д. и низкой чувствительности к износу рабочих поверхностей. Насос крепится на двигателе, а его привод осуществляется ременной передачей от коленчатого вала.
Распределитель направляет (распределяет) поток жидкости в необходимую полость гидроцилиндра или обратно в бачок. Если его золотник (подвижный элемент) перемещается при этом поступательно — распределитель называют осевым, если вращается — роторным. Он может находиться на элементах рулевого привода или на одном валу с рулевым механизмом. Распределитель — это прецизионный (высокоточный) узел, очень чувствительный к загрязнению масла.
Гидроцилиндр преобразует давление жидкости в перемещение поршня и штока, который через систему рычагов поворачивает колеса. Может быть встроен в рулевой механизм или располагаться между кузовом и элементами рулевого привода.
Рабочая жидкость (специальное масло) передает усилие от насоса к гидроцилиндру и смазывает все пары трения. Резервуаром для жидкости служит бачок. В нем расположен фильтрующий элемент, а в пробке — щуп для определения уровня.
Соединительные шланги обеспечивают циркуляцию жидкости по системе усилителя. Шланги высокого давления соединяют насос, распределитель и гидроцилиндр, а по шлангам низкого давления жидкость поступает в насос из бачка и возвращается в него из распределителя.
В современных автомобилях электронный блок (на рисунке не показан) корректирует работу гидроусилителя в зависимости от скорости движения. Это дополнительно повышает безопасность на высокой скорости, так как водителю сложнее резко (непроизвольно) повернуть руль и, соответственно, отклонить автомобиль от траектории.
Работа гидроусилителя с осевым распределителем (без электронного блока) схематично представлена на рис. 14.4.
При неподвижном рулевом колесе (рис. 14.4, а) золотник удерживается в среднем (нейтральном) положении центрирующими пружинами. Полости распределителя соединены между собой так, что жидкость свободно перетекает из нагнетательной магистрали в сливную. Насос усилителя работает только на прокачку жидкости по системе, а не на поворот колес.
При повороте руля (рис. 14.4, б) золотник перемещается и перекрывает сливную магистраль. Масло под давлением поступает в одну из рабочих полостей цилиндра. Под действием жидкости поршень со штоком поворачивает колеса. Они, в свою очередь, перемещают корпус распределителя в сторону движения золотника. Как только рулевое колесо перестает вращаться, золотник останавливается и корпус его «догоняет». Восстанавливается нейтральное положение распределителя, при котором опять открывается сливная магистраль и прекращается поворот колес. Так реализуется кинематическое следящее действие усилителя — обеспечение поворота колес на угол, задаваемый водителем при вращении руля.
«Чувство дороги» — это обратная связь от управляемых колес через усилитель к рулю. Дает информацию об условиях, в которых происходит поворот колес. Для этого, как и на автомобиле без усилителя, на скользкой дороге руль должен поворачиваться легче, чем на сухом асфальте. «Чувство дороги» (силовое следящее действие) помогает водителю правильно работать рулем в любых условиях. Для его осуществления в различных конструкциях распределителей предусмотрены плунжеры, камеры или реактивные шайбы (рис. 14.4, б). Чем больше сопротивление повороту колес, тем выше давление в цилиндре и распределителе. При этом одна из реактивных шайб с большим усилием стремится вернуть золотник обратно в нейтральное положение. В результате руль становится «тяжелее».
При наезде на препятствие (например, камень) оно воздействует на управляемые колеса, стремясь их повернуть, что особенно опасно на высоких скоростях. Колеса, начав вынужденный поворот, перемещают корпус распределителя относительно золотника, перекрывая сливную магистраль. Масло под давлением поступает в полость цилиндра. Поршень передает усилие на колеса в обратном направлении, не позволяя им поворачиваться дальше. Так как ход золотника небольшой (около 1 мм), автомобиль практически не изменит направление движения. Гидроусилитель не только облегчает водителю поворот колес, но и оберегает пальцы его рук от ударов спицами руля при наездах на препятствия. Небольшой толчок на руле все же будет ощущаться из-за реактивных шайб, давление над которыми возрастет.
В случае прекращения работы насоса (например, при обрыве ремня привода) возможность управления автомобилем сохраняется. Усилие от рулевого механизма в этом случае будет передаваться самим золотником на корпус распределителя и далее на колеса. Жидкость, перетекая через перепускной клапан (на схеме не показан) из одной полости гидроцилиндра в другую, практически не будет препятствовать повороту колес. Но так как гидроусилитель не работает, руль становится «тяжелее».
Гидроусилитель грузового автомобиля. В грузовых автомобилях могут применяться как одноконтурные, так и двухконтурные системы гидроусиления рулевого управления. Ниже приводится описание системы гидроусиления рулевого управления грузовых автомобилей DAF, конструкция которой практически аналогична для других производителей грузовых автомобилей европейского производства.
Одноконтурная система. От бачка 1 (рис. 14.5), установленного над насосом 4 рабочая жидкость поступает через подающий трубопровод 3 на насос 4. Насос подает рабочую жидкость через напорный трубопровод 5 на рулевой редуктор 6. Из рулевого редуктора рабочая жидкость возвращается в бачок через возвратную магистраль 7.
Давление в возвратной магистрали всегда низкое. Примерно 1/3 потока жидкости проходит через фильтр 2, а остальная возвращается в бачок 1. Давление в напорном трубопроводе 5 изменяется в зависимости от усилия на рулевом колесе. Если рулевое колесо не задействовано, напорный трубопровод находится под циркуляционным давлением. Если рулевое колесо поворачивается, давление в напорном трубопроводе увеличивается до предустановленного значения перепускного клапана. Максимальное давление (наиболее легкое вращение рулевого колеса) достигается при вращении рулевого колеса на стоящем на скользком дорожном покрытии автомобиле или когда автомобиль паркуется.
Рулевой механизм может содержать вспомогательный гидроцилиндр 8 для создания дополнительного усилия поворачивания. Данный цилиндр располагается параллельно цилиндру рулевого редуктора и снабжается рабочей жидкостью через рулевой редуктор.
Насос способен создавать очень высокое давление на короткий промежуток времени (в зависимости от типа насоса это давление может достигать до 300 бар). Такое давление может стать причиной перегрузки некоторых компонентов рулевого механизма и даже привести к их поломке. Для защиты рулевого механизма от чрезмерных перегрузок используется клапан ограничения давления, благодаря чему давление в системе не может увеличиваться выше определенного значения. Клапан ограничения давления расположен в рулевом редукторе.
В рулевом редукторе имеется заборный клапан. В случае неисправности рулевого насоса, когда гидравлическое усиление рулевого управления отсутствует, рабочая жидкость течет через заборный клапан. Заборный клапан предотвращает возникновение чрезмерного разрежения в рулевом редукторе, которое может значительно затруднить рулевое управление без гидравлического усилителя. При активации рулевого насоса давление в системе восстанавливается, а заборный клапан закрывается.
Двухконтурная система. Система называется, поскольку включает два гидравлических контура усилителя руля с двумя насосами. Такие системы устанавливаются на грузовых автомобилях с целью обеспечения более надежного функционирования гидроусилителя. В случае отказа главного (первого) контура усилитель руля продолжает функционировать.
Приводимый от двигателя главный рулевой насос 4 (рис. 14.6) подает рабочую жидкость на двухконтурный клапан, размещенный в корпусе 6, являющийся частью рулевого редуктора 7. Если система оборудована вспомогательным цилиндром 10, двухконтурный клапан подает рабочую жидкость не только на рулевой редуктор 7, но также контролирует её поступление на вспомогательный цилиндр.
Запасной рулевой насос 16 установлен на коробке передач и приводится от её выходного (вторичного) вала. В процессе нормального функционирования рабочая жидкость от запасного рулевого насоса возвращается в бачок запасного рулевого насоса 13 через двухконтурный клапан.
Бачки 1 и 13 соединены между собой соединительным трубопроводом 12, который подсоединен таким образом, чтобы при разгерметизации одного из контуров второй продолжал функционировать.
Если производительность главного рулевого насоса 4 становится слишком низкой, двухконтурный клапан добавляет напор запасного рулевого насоса 16 к остаточному напору главного рулевого насоса. При этом также перекрывается возвратная магистраль 8 главного рулевого насоса. Рабочая жидкость от обоих насосов возвращается в бачок запасного рулевого насоса 13.
Если в бачок запасного рулевого насоса поступает больше жидкости чем прокачивается запасным рулевым насосом, избытки жидкости отводятся в бачок главного рулевого насоса 1 через соединительный трубопровод 12.
Рулевой редуктор снабжен дополнительным клапаном, который перекрывает подачу рабочей жидкости на вспомогательный цилиндр 10 и соединяет трубопроводы 9 и 11вспомогательного цилиндра при слишком низком напоре жидкости главного рулевого насоса.
Выходной датчик 19 установлен в корпусе 6 двухконтурного клапана. Этот датчик замыкается, если напор главного рулевого насоса 4 становится слишком низким. Выходной датчик 19 активирует предупредительный индикатор первого контура в случае активации запасного рулевого насоса 16.
Выходной датчик 20 второго контура установлен в месте соединения напорного трубопровода запасного рулевого насоса 16 к двухконтурному клапану.
В случае слишком низкого напора запасного рулевого насоса 16, выходной датчик 20 активирует предупредительный индикатор второго контура.
Если автомобиль не движется или движется очень медленно, вследствие чего подача запасного рулевого насоса отсутствует или слишком мала, также включается предупредительный индикатор второго контура рулевого управления.
Клапан ограничения давления 21 установлен в напорном трубопроводе 17 запасного рулевого насоса 16. Назначение этого клапана заключается в ограничении пиковых нагрузок при включении и выключении второго контура. При открытом клапане 21, напорный трубопровод 17 соединяется с напорной магистралью 15.
Рулевые механизмы могут быть объединены с гидроцилиндрами или устанавливаться отдельно, например, автомобили МАЗ.
Рулевой механизм гидроусилителя объединенный с гидроцилиндром (рис. 14.7). При повороте рулевого колеса, крутящий момент передается на входной вал 2 рулевой передачи. Торсион 5 соединен как с входным валом 2, так и с управляющим червячным валом 12. При повороте торсиона примерно на 7°, работает втулка, механически передающая крутящий момент на управляющий червячный вал. Шариковый механизм между направляющим валом 2 и рабочим поршнем 13 передает крутящий момент на рабочий поршень, который затем движется в цилиндре кожуха рулевой передачи. Шаг шарового винта определяет передаточное отношение рулевой передачи и число поворотов рулевого колеса. Нижняя часть рабочего поршня частично выполнена, как зубчатая рейка, в сцеплении с зубьями вала-сектора рулевой передачи.
1, 8 – соединительный штифт торсиона; 2 – входной вал; 3 – клапан ограничения давления; 4 – крышка; 5 – торсион; 6 – клапан управления; 7 – втулка; 9 – клапан ограничения поворота колес; 10 – шариковая гайка; 11 – вал-сектор (выходной вал); 12 – червячный вал; 13 – поршень; 14 – клапан ограничения поворота колес; 15 – корпус; 16 – регулировочный болт клапанов ограничения поворота колес
Поток рабочей жидкости, поступающей в рулевой редуктор, регулируется управляющим клапаном 6.Управляющий клапан состоит из втулки 7, соединенной с входным валом 2, и полости в червячном валу 12.
На внешней стороне втулки 7 имеется ряд выемок. Напорный и возвратный трубопроводы могут быть соединены с каналами, ведущими к половинкам цилиндра через полости червячного вала 12, посредством выемок во втулке 7.
Если втулка 7 поворачивается относительно полости в червячном валу 12, одна сторона цилиндра соединяется с напорной магистралью, а другая — с возвратной. Если входной вал 2 поворачивается в другую сторону, втулка 7переключает напорную и возвратную магистрали на противоположные стороны цилиндра.
Поскольку управляющий клапан 6 увеличивает поток жидкости с одной стороны поршня при повороте рулевого колеса и соединяет другую сторону поршня с возвратным трубопроводом. рабочая жидкость больше не может циркулировать через рулевой редуктор. В результате давление нарастает с одной стороны поршня, вследствие чего поршень перемещается.
Клапан ограничения давления 3 защищает систему от чрезмерных перегрузок. Если величина давления достигает предустановленного значения, клапан открывается, напрямую соединяя напорный и возвратный трубопроводы.
Удаление воздуха из рулевого редуктора происходит автоматически. При циркуляционном давлении рулевой редуктор автоматически прокачивается. При повышении давления система прокачки закрывается.
Если рулевое колесо не поворачивается, управляющий клапан 6 также находится в нейтральном положении. Поток жидкости при этом направляется одновременно и в правую, и в левую стороны цилиндра, компенсируя давление с двух сторон поршня. Поэтому поршень не перемещается. Такое положение называется «гидравлическим центральным положением» рулевого редуктора. Давление жидкости, создаваемое при этом, называется циркуляционным давлением.
Нейтральное положение рулевого редуктора настраивается производителем и не может быть изменено.
Торсион 5, установленный между входным валом 2 и червячным валом 12, соединяет два этих вала посредством соединительных штифтов 1 и 8.
При повороте рулевого колеса входной вал 2 (рис. 14.8) поворачивается относительно червячного вала 12, создавая скручивание торсиона 5. После прекращения вращения рулевого колеса (и, как следствие, подачи крутящего момента на первичный вал) торсион 5 возвращает входной вал 2 в нейтральное положение относительно червячного вала 12. В результате управляющий клапан также возвращается в нейтральное положение, а гидравлическое усиление прекращается.
Главный насос (рис. 14.9) можно разделить на сам насос и на управляющую часть.
Насос состоит из вала 1, ротора 14 с лопастями 7, статора 6 и упорных пластин 13 и 15.
Рис. рис. 14.9. Основной насос гидроусилителя:
1 – приводной вал; 2 – корпус; 3 – шариковый подшипник; 4 –двойной сальник; 5 – уплотнительное кольцо; 6 – статор;7 – лопасти; 8 –уплотнительное кольцо; 9 – крышка; 10 –клапан управления потоком; 11 –стопорное кольцо; 12 – подшипниковая втулка; 13 – упорная пластина; 14 –ротор; 15 – упорная пластина; 16 – уплотнительное кольцо; 17 – пружина; а – общий вид; б – схема принципа работы
Управляющая часть, расположенная в крышке 9 насоса, состоит из калиброванного отверстия во внутреннем напорном канале и клапана управления потоком 10 с пружиной 17.
Вал 1 поддерживается шариковым подшипником 3 и подшипниковой втулкой 12.
Шариковый подшипник 3 смазывается моторным маслом от системы смазки двигателя. Подшипниковая втулка 12 смазывается рабочей жидкостью системы рулевого управления.
Вал 1 уплотнен двойным сальником 4. Статор 6 зафиксирован между упорными пластинами 13 и 15.Уплотнительные кольца 8 и 16 прижимают упорную пластину 15 к статору 6 и ротору 14, таким образом уплотняя эти компоненты. Если насос работает, создается давление жидкости, оно также воздействует на обратную сторону упорной пластины 15, плотно прижимая её к статору и ротору и обеспечивая лучшее уплотнение.
При вращении приводного вала 1 под действием центробежных сил лопасти 7 частично выходят из ротора 14 наружу, прижимаясь к рабочей поверхности статора 6.Это образует два последовательных пространства, отделенных друг от друга и уплотненных с двух сторон упорными пластинами 13 и 15. Эти пространства формируют камеры насоса. Благодаря овальной форме внутренней части статора 6, объем камер насоса увеличивается дважды за оборот, обеспечивая такт впуска (фазы А на рисунке). Одновременно с этим объем камер насоса также уменьшается дважды за оборот, обеспечивая такт подачи (фазы В на рисунке).
В местах увеличения объема камер имеются соединения с подающим трубопроводом (а). В местах уменьшения объема камер имеются соединения с напорным трубопроводом (b).
Для обеспечения надлежащего уплотнения между лопастями и статором, нижняя сторона лопастей соединена с внутренним напорным каналом. Благодаря такой конструкции, лопасти прижимаются к статору, обеспечивая оптимальное уплотнение.
Запасной рулевой насос — это радиальный плунжерный насос, приводимый от выходного вала коробки передач во время движения автомобиля. Направление вращения для данного насоса значения не имеет.
Насос имеет восемь полых плунжеров 7 (рис.14.10), расположенных вокруг эксцентрика 10, который обеспечивает перемещение плунжеров вверх. Перемещение плунжеров вниз обеспечивается пружинами 9, вставленными в плунжеры 7.
В нижней части плунжеров имеются отверстия 12, которые соединены с подающим трубопроводом 15.
В конце хода вниз плунжер заполняется рабочей жидкостью, которая вытесняется в процессе хода вверх.
Напор насоса ограничен, поскольку с увеличением частоты вращения сокращается время, за которое жидкость втекает в полость поршня, вследствие чего объем заполнения плунжеров также уменьшается. Поэтому клапан управления потоком в таком насосе не нужен.
Каждый цилиндр оборудован напорным клапаном 16. За напорными клапанами находится амортизационная камера 18, в которой пульсирующая подача жидкости от плунжеров сглаживается.
Насос оборудован заборным клапаном 17, поскольку во время неподвижного состояния автомобиля данный тип насоса не может наполнять плунжеры. Заборный клапан 17 открывается при создании разрежения в напорном трубопроводе 19 запасного рулевого насоса. Разрежение образуется в случае, если главный рулевой насос отключен, а скорость движения автомобиля слишком низкая. Разрежение открывает заборный клапан 17, напрямую соединяя подающий трубопровод 15 с напорной магистралью19.В этой ситуации усиление рулевого управления частичное, поскольку для гидравлического усилителя требуется больше рабочей жидкости, чем может подать запасной рулевой насос в этот момент. Когда напор запасного насоса достигает необходимой величины, заборный клапан закрывается вследствие разницы давления между подающим и напорным трубопроводами.
На автомобилях с гидроусителем могут применяться кроме описанных и насосы с изменяющимся коэффициентом усиления, схема и принцип работы которого показан на рис. 14.11.
При работе двигателя на холостом ходу (рис. 14.11, а) кольцо эксцентрика 2 прижимается силой натяжения пружины 1 и внутренними соотношениями давления к наружному кольцу 4. Так как давление на сторонах всасывания 14 и нагнетания 15 будет одинаковым, за счет силы давления пружины 16 регулирующий поршень 8 будет нагружен и находится в правом крайнем положении.
Объём подачи и давление насоса возрастает пропорционально увеличению частоты вращения ротора 9 (рис. 14.11, б). Под действием более высокого давления от нагнетательной стороны регулирующий поршень 8 сдвигается влево, преодолевая натяжение пружины 16. При средней частоте вращения ротора насоса каналы сторон всасывания и нагнетания закрываются регулирующим поршнем. Происходит выравнивание давления в левой 10 и правой 11 полостях. Кольцо эксцентрика удерживается в определённом среднем положении, что обеспечивает относительное постоянство объёма подачи. Если частота вращения продолжает увеличиваться (рис. 13.2, в), повышаются и объём подачи, и давление. Регулирующий поршень сдвигается ещё больше влево против силы натяжения пружины. Таким образом, каналы левой 10 и правой полости 11 соединяются. Давление на стороне нагнетания начинает возрастать, и кольцо эксцентрика сдвигается влево против силы натяжения пружины 1. Таким образом уменьшается эксцентриситет между ротором и кольцом эксцентрика. Объём подачи уменьшается, чем и предотвращается избыточная подача масла под давлением, что уменьшает мощность, потребляемую насосом, а значит и расход энергии.
Гидроусилитель с рулевым механизмом, установленным отдельно (на примере МАЗ) (рис. 14.12). Рулевой механизм — выполнен в виде винта, шариковой гайки-рейки и сектора. Гидрораспределитель и гидроцилиндр объединены в одном блоке отдельно от рулевого механизма.
Рулевое колесо 13 установлено на полом телескопическом рулевом валу 10, находящемся в подшипниках в рулевой колонке 12, которая закреплена шарнирно на кронштейне 11 в кабине автомобиля. Шарнирное крепление рулевой колонки позволяет откидывать кабину автомобиля. Рулевой вал при помощи карданного шарнира 9 соединен с винтом 8 рулевого механизма. Винт установлен в чугунном литом картере 7 на двух сферических роликовых подшипниках, затяжка которых регулируется гайкой 23, ввернутой в крышку 22 картера. Винт связан с гайкой-рейкой 20 через два ряда шариков, циркулирующих по замкнутому контуру. Гайка-рейка находится в постоянном зацеплении с зубчатым сектором 21 вала 6 рулевой сошки 5. Регулировка зацепления производится путем осевого смещения зубчатого сектора специальным винтом, связанным с валом сошки. Рулевая сошка соединена с корпусом 3 шаровых шарниров, который связан с гидроусилителем. С корпусом шаровых шарниров также соединен передний конец продольной рулевой тяги 2. Задний коней продольной рулевой тяги связан с поворотным рычагом 17 поворотной цапфы 18 левого управляемого колеса, которая через рычаги 16 и 14 и поперечную рулевую тягу 15 соединена с поворотной цапфой правого колеса. Регулировка схождения передних колес производится изменением длины поперечной рулевой тяги при повороте ее в наконечниках.
Гидроусилитель представляет собой единый блок, в котором гидрораспределитель 4 закреплен на корпусе 3 шаровых шарниров, связанном с гидроцилиндром 1 ребровым соединителем. Шаровой палец 26 рулевой сошки находится в стакане 25, в котором закреплен золотник 24 гидрораспределителя. Стакан вместе с пальцем сошки и золотником может перемещаться в осевом направлении. Золотник удерживается в нейтральном положении под действием давления масла в реактивных камерах 31, расположенных с обоих торцов золотника в корпусе гидрораспределителя. К корпусу присоединены нагнетательный и сливной маслопроводы от шестеренного насоса гидроусилителя. Насос приводится в действие клиноременной передачей от коленчатого вала двигателя. К корпусу также присоединены две трубки 28 от гидроцилиндра. В корпусе установлен обратный клапан 33, обеспечивающий работу рулевого управления при неработающем гидроусилителе.
В гидроцилиндре 1 находится поршень 30 со штоком 29, который соединен с рамой автомобиля резинометаллическим шарниром 32. Выступающий из цилиндра конец штока закрыт резиновым гофрированным чехлом, защищающим от пыли, грязи и влаги.
При прямолинейном движении золотник 24 находится в нейтральном положении, и нагнетательный маслопровод соединен со сливным маслопроводом. Гидроусилитель не работает, а масло циркулирует от насоса к гидрораспределителю и обратно.
При повороте автомобиля рулевая сошка 5 через шаровой палец 26 и стакан 25 перемещает золотник 24 из нейтрального положения при этом соединяется с нагнетательным маслопроводом одна полость гидроцилиндра, а другая полость — со сливным маслопроводом. Давлением масла гидроцилиндр 1 перемещается относительно поршня 30 со штоком 29, которые остаются неподвижными. Вместе с гидроцилиндром через шаровой палец 27 перемешается продольная рулевая тяга 2 и связанные с ней детали рулевого привода. В результате происходит поворот передних управляемых колес автомобиля.
Гидроусилитель легкового автомобиля. Обычный гидроусилитель легкового автомобиля конструктивно не отличается от описанных выше гидроусилителей для грузовых автомобилей, поэтому рассмотрим гидравлический усилитель рулевого управления легкового автомобиля с применением электрогидравлического преобразователя и электронным управлением.
Чем выше скорость автомобиля, тем меньшие усилия должен прилагать водитель к рулевому колесу, чтобы изменить направление движения, что может привести к потере управляемости. Такая принципиальная закономерность характерна для всех систем рулевого управления (с постоянным и переменным передаточным отношением). Поэтому при разработке рулевого управления принимаются компромиссные решения.
Для улучшения управляемости автомобиля следует повышать крутящий момент при высоких скоростях и сводить его до минимума при малых скоростях движения и при парковке. Для выполнения этих требований современные легковые автомобили оснащаются гидроусилителями с электронным управлением и регулированием типа Servotronic. Эта система регулирует усилия на рулевом колесе в зависимости от скорости автомобиля (рис. 14.13).
Усилитель руля Servotronic (рис. 14.14) создан на базе обычного гидроусилителя. Измененная конструкция клапана управления с поворотным золотником позволяет реализовать принцип непосредственной гидравлической обратной связи. Применением электрогидравлического преобразователя и соответствующим приспособлением клапана управления удалось обеспечить зависимость степени усиления от скорости автомобиля.
Необходимое для работы системы Servotronic давление рабочей жидкости порядка 130 кгс/см2 создается гидронасосом обычной конструкции. Под этим давлением рабочая жидкость поступает к поворотному золотнику 7 клапана управления.
В свободном состоянии торсион удерживает клапан управления в среднем (нейтральном) положении.
1,7 – поворотный золотник; 2,5 – торсион; 3 – электронный блок управления; 4 – датчик сигнала скорости; 6 – штифт; 8 – насос гидравлический; 9 – резервуар; 10 — предохранительный и перепускной клапан; 11 – реактивный поршень; 12 – электромагнитный клапан; 13,18 – распределительная втулка; 14 – правая полость силового цилиндра;15 — левая полость силового цилиндра; 16 – подвод жидкости к правой полости; 17 – подвод жидкости к левой полости; 19 – поршень; 20 – ведущая шестерня; а – нейтральное положение; б – поворот вправо; в – поворот влево
В блоке клапана управления находится торсион 5. Верхняя часть торсиона соединена штифтом с золотником 7. Нижняя его часть соединена также штифтом с ведущей шестерней 20 и с втулкой распределителя 13. Торсион связан с рулевым валом через карданный шарнир.
В блоке клапана управления находится торсион 5 (рис. 14.15). Верхняя часть торсиона соединена штифтом 6 с золотником 7. Нижняя его часть соединена также штифтом с ведущей шестерней 19 и с втулкой распределителя 13. Торсион связан с рулевым валом через карданный шарнир. Соединения торсиона выполнены посредством штифтов 6.
Подаваемая гидронасосом рабочая жидкость поступает через входное сверление в корпус клапана управления и далее через кольцевой паз и радиальные отверстия в распределительной втулке клапана к регулирующим кромкам золотника. При нейтральном положении клапана (рис. 14.14, а) рабочая жидкость перетекает через приточные кромки золотника 1 и поступает во все продольные пазы распределительной втулки и далее мимо сливных кромок золотника в его сливные пазы. Через эти пазы рабочая жидкость отводится в сливную полость и далее в бачок. При этом правая и левая полости силового цилиндра оказываются соединенными между собой через подключенные к ним трубопроводы и кольцевые пазы в корпусе клапана.
При повороте рулевого колеса налево (рис. 14.14, б) создаваемый водителем крутящий момент передается на торсион 2, верхний конец которого соединен штифтом 6 с поворотным золотником, а нижний конец – с распределительной втулкой 18 и приводной шестерней рулевого механизма. В результате торсион скручивается подобно стабилизатору при наезде одного из колес автомобиля на неровность дороги.
При закрутке торсиона золотник вместе с верхней частью торсиона поворачивается в распределительной втулке, изменяя относительное положение пазов золотника и перепускных отверстий втулки. По мере поворота золотника относительно втулки одни каналы открываются, а другие закрываются.
Рабочая жидкость поступает через щели, раскрывающиеся при перемещении приточных кромок, в продольные пазы и далее через отверстие в кольцевой паз и через трубопровод в правую полость 14 силового цилиндра. На поршень 19 воздействует давление жидкости, что облегчает поворот рулевого колеса.
При поступлении рабочей жидкости в правую полость силового цилиндра происходит ее вытеснение из левой полости в сливную магистраль. Если отпустить рулевое колесо, распрямляющийся торсион вернет золотник в нейтральное положение относительно распределительной втулки.
При повороте рулевого колеса направо (рис. 14.15, в) рабочая жидкость поступает в левую полость 15 силового цилиндра и происходит ее вытеснение из правой полости.
Электронный блок управления системы Servotronic обрабатывает сигнал скорости автомобиля и изменяет в соответствии с ним ток управления электромагнитным клапаном 4 (рис. 14.16). При повышении скорости автомобиля блок управления системы уменьшает ток управления электромагнитным клапаном. В результате этот клапан частично открывается и перепускает ограниченное количество рабочей жидкости из приточного кольцевого паза 5 в полость 9 над реактивным поршнем 8. При этом жиклер 6 препятствует сильному оттоку рабочей жидкости на слив, благодаря чему в полости над реактивным поршнем создается достаточно высокое давление. В зависимости от величины этого давления изменяется усилие, передаваемое поршнем на шарики 7 и далее на втулку распределителя 10. Чем выше давление рабочей жидкости, тем большие усилия создаются усилителем и тем большие усилия должен прилагать водитель к рулевому колесу.
Действующее на реактивный поршень 8 давление передается на шарики 7, которые установлены между ним и скошенными поверхностями центрирующей втулки 10, жестко соединенной с распределительной втулкой. Точное центрирование клапана управления особенно благоприятно при движении автомобиля по прямой. При вращении клапана управления, находящиеся под нагрузкой шарики противодействуют повороту золотника относительно распределительной втулки. Таким образом, гидравлический способ создания реактивных усилий используется для повышения момента на рулевом колеса до уровня, подбираемого индивидуально для каждой модели автомобиля.
При высоких скоростях движения ток управления снижается до нуля, в результате чего электромагнитный клапан открывается полностью. В результате на реактивный поршень действует максимальное давление, соответствующее его величине в приточном кольцевом пазе. В результате этого при повороте рулевого колеса на реактивный поршень действует повышенное давление рабочей жидкости. Если действующее на реактивный поршень давление достигло установленного для данного автомобиля предела, открывается ограничительный клапан 3, через который рабочая жидкость перетекает в сливную полость. При этом дальнейший рост давления прекращается.
При небольшой или нулевой скорости движения сила протекающего через электромагнитный клапан тока достигает максимальной величины, в результате чего электромагнитный клапан 4 закрывается и предотвращает поступление рабочей жидкости в полость 9 над реактивным поршнем. При этом в полости над реактивным поршнем поддерживается такое же давление, как и в сливной полости 2, так как они соединены между собой посредством жиклера 6. Таким образом клапан управления системы Servotronic действует так же, как обычный клапан с поворотным золотником. Так как действие реактивного поршня отсутствует, для поворота колес автомобиля требуются относительно небольшие усилия на рулевом колесе.
При воздействии на рулевой механизм силы в противоположном направлении, например, в результате наезда на неровность, усилитель действует как демпфер. В этом случае торсион закручивается под действием усилия, передаваемого на него через рейку и ведущую шестерню. При этом золотник поворачивается из нейтрального положения относительно втулки распределителя. В результате рабочая жидкость поступает под давлением в ту полость силового цилиндра, которая создает противодействие движению рейки.
При воздействии на рулевой механизм силы в противоположном направлении, например, в результате наезда на неровность, усилитель действует как демпфер (рис. 14.17). В этом случае торсион закручивается под действием усилия, передаваемого на него через рейку и ведущую шестерню. При этом золотник поворачивается из нейтрального положения относительно втулки распределителя. В результате рабочая жидкость поступает под давлением в ту полость силового цилиндра, которая создает противодействие движению рейки.
Например, при переезде неровности на колесо автомобиля действует сила FA, которая стремится его повернуть вокруг точки D (по часовой стрелке). При этом на рейку передается сила FZ, которая поворачивает шестерню и закручивает торсион. В результате открывается проход рабочей жидкости под давлением в правую полость силового цилиндра, а левая полость сообщается со сливом. Действующая на поршень и рейку реактивная сила FR уравновешивает силу FZ и противодействует таким образом повороту колес автомобиля.
На привод насоса гидроусилителя затрачивается значительная мощность (5…7 л.с.), поэтому в целях экономии топлива в современных автомобилях применяют гидравлические насосы с приводом не от коленчатого вала, а от электродвигателя, который включается в работу по сигналу блока управления. Такая конструкция позволяет также повысить долговечность насоса гидроусилителя, так как он работает только во время поворота рулевого колеса.
Гидравлический усилитель рулевого управления с приводом насоса от электродвигателя. При движении по магистрали традиционный усилитель рулевого управления потребляет большую избыточную мощность из-за высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя, т. к. при малых скоростях поворота рулевого колеса и высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя насос усилителя подает слишком большое количество избыточной рабочей жидкости, которую приходится сбрасывать через перепускной клапан. Чтобы избежать непроизводительных потерь мощности при работе гидравлического усилителя вместо механического привода насоса гидроусилителя рулевого управления может применяться электрический привод (электрогидравлический усилитель).
Система управления обеспечивает работу гидроусилителя. На современных автомобилях используется электронная система управления, которая обеспечивает регулирование коэффициента усиления в зависимости от скорости поворота рулевого колеса и скорости движения автомобиля. Усилитель с такими характеристиками называется адаптивным усилителем рулевого управления.
Общая схема рулевого управления гидравлического усилителя рулевого управления с приводом насоса от электродвигателя показана на рис. 14.18, а ее общий вид на рис. 14.19
В этой системе усилие водителя на рулевом колесе поддерживается за счет давления рабочей жидкости, которое создается насосом, приводимым от электродвигателя, т. е. независимо от двигателя автомобиля. Электродвигатель работает только при включенном зажигании и работающем двигателе автомобиля.
Электрогидравлический усилитель рулевого управления работает в зависимости от скорости поворота рулевого колеса и скорости автомобиля.
Блок управления усилителем получает сигналы с датчиков усилителя рулевого колеса 1 (рис. 14.18), скорости автомобиля от датчика 3 и частоты вращения вала его двигателя от электронного блока управления двигателем 5 и в зависимости от них изменяет частоту вращения электродвигателя шестеренного насоса и соответственно производительность последнего или объемный расход рабочей жидкости.
Насосный агрегат представляет собой объединенный блок, включающий гидравлический лопастной или шестеренчатый насос 10, электродвигатель насоса 11 и бачок 8 для рабочей жидкости. На насосный агрегат устанавливается электронный блок управления.
Гидравлический узел управления является исполнительным механизмом усилителя руля. Он включает: торсион с поворотным золотником и распределительной гильзой; силовой цилиндр с поршнем. Гидравлический узел управления объединен с рулевым механизмом. Шток поршня силового цилиндра является продолжением рейки рулевого механизма.
Датчик усилителя рулевого колеса находится в корпусе поворотного золотника, входящего в состав рулевого механизма. Он служит для измерения угла поворота рулевого колеса, который используется далее для расчета скорости его поворота. Датчик усилителя является емкостным датчиком, схема которого показана на рис. 14.20.
Между пластинами 4 девяти малогабаритных конденсаторов вращается ротор 3, закрепленный на входном вале 2 редуктора рулевого механизма. При вращении вала емкость пластинчатых конденсаторов изменяется. Встроенная в датчик электросхема 5 преобразует изменение емкости в сигналы угла и скорости поворота рулевого колеса, которые поступают на вход блока управления усилителем рулевого управления.
При выходе этого датчика из строя работоспособность рулевого механизма сохраняется. В этом случае усилитель переходит на запрограммированный резервный режим работы, однако усилие поворота рулевого колеса при этом возрастает.
Вместо емкостного датчика, в системах с рулевого управления с приводом насоса от электродвигателя, может использоваться датчик Холла, выполняющий те же функции.
Принцип работы. При прямолинейном движении автомобиля гидравлический узел управления обеспечивает циркуляцию жидкости по кругу (от насоса по каналам напрямую в бачек).
При повороте рулевого колеса происходит закрутка торсиона, которая сопровождается поворотом золотника относительно распределительной гильзы. По открывшимся каналам жидкость поступает в одну из полостей (в зависимости от направления поворота) силового цилиндра. Из другой полости силового цилиндра жидкость по открывшимся каналам сливается в бачек. Поршень силового цилиндра обеспечивает перемещение рейки рулевого механизма. Усилие от рейки передается на рулевые тяги и далее приводит к повороту колес.
При осуществлении поворота на небольшой скорости (при парковке, маневрах в ограниченном пространстве) гидроусилитель руля работает с наибольшей производительностью. На основании сигналов датчиков электронный блок управления увеличивает частоту вращения электродвигателя насоса (обеспечивает открытие электромагнитного клапана). Соответственно увеличивается производительность насоса. В силовой цилиндр интенсивнее поступает специальная жидкость. Усилие на рулевом колесе значительно снижается.
С увеличением скорости движения частота вращения электродвигателя насоса снижается (срабатывает электромагнитный клапан и уменьшает поперечное сечение гидросистемы).
Работа гидравлического усилителя осуществляется в пределах поворота рулевого колеса и ограничивается предохранительным клапаном.