Механизмы рулевого управления современного автомобиля

Главным призванием такого механизма транспортного средства, как рулевое управление, является изменение траектории движения путем регулировки положения угла передних колес по отношению к боковой линии. Колесо, как один из механизмов, применяемых в автомобилях, появилось давно, однако история использования рулевого управления начинает свой отчет с момента его появления на конных экипажах. Подобная конструкция была взята за основу и применялась в первых автомобилях. Немного позже мир узнал о рудовой трапеции. Прошли годы, и современное рулевое управление существенно усложнилось, так как в нем широко применяется гидравлика и электронные системы.

Подавляющие большинство современных автомобилей даже в базовой комплектации идет с системами усиления работы рулевого механизма, так называемые ЭУР и ГУР (электроусилитель руля и гидроусилитель руля). Их предназначение – предложить водителю максимально комфортные условия для управления транспортным средством. Дополнительно они снижают прилагаемое усилие на рулевое колесо и способствуют улучшению управляемости после завершения резкого маневра.

Исторически так сложилось, что наибольшее распространение получили два типа механизмов рулевого управления – реечный и так называемый "винт - шариковая гайка-сектор". Последний тип конструкторы чаще всего устанавливают на тяжелые грузовые автомобили и массивные легковики типа "внедорожник".

Однако именно первый тип получил ныне самое большое распространение. И причина тому – простая компоновка. Действует она следующим образом: в корпусе гидроусилителя руля установлен специальный распределительный клапан (торсион), который имеет привязку к рулевому валу. В тот момент, когда водитель поворотом рулевого колеса меняет угол поворота передних колес, торсион, закручиваясь, оказывает давление на так называемый золотник. Тот, с вою очередь, регулирует количество масла, которое поступает к силовому цилиндру. Именно этот цилиндр толкает рейку, принимая, таким образом, на себя основное усилие и облегчает повороты рулевого колеса. Когда водитель прекращает вращать руль, торсион занимает свое первоначальное положение, заставляя жидкость перемещаться обратно в бачок.

Для перемещения жидкости используется насос, приводимый в действие посредством отбора части мощности двигателя через ременную передачу. Нормальным считается, если двигатель на холостом ходу раскручивает насос так, что он обеспечивает поворот без особого усилия рулевого колеса со скоростью не менее 1,5 оборота в секунду. В качестве защиты устанавливается перепускной клапан, который стравливанием нормализует давление в системе.

Для того чтобы обеспечить нормальную отзывчивость автомобиля при различного рода маневрах, например, на парковке и на трассе, на рейке вырезают зубья с разными шагами. В центре шаг устанавливается маленьким, на концах – побольше. Таким образом, автомобиль послушен при движении на больших скоростях и уменьшается количество оборотов рулевого колеса при интенсивном маневрировании.

С развитием электроники в механизм рулевого управления вошли системы, призванные регулировать усилия руля с учетом скорости движения. Пример тому – сервотроник.

Схема его работы довольно проста и заключается в следующем. В верхнюю часть распределителя установлена камера обратного действия, в которой совершает движение поршень с направлением усилия на золотник. Когда поворачивается рулевое колесо, золотник подает масло на силовой поршень. Одновременно с этим работает электромагнитный клапан, регулирующий количество масла в камере обратного действия. Дополнительно он получает информацию от датчика скорости. Цель его работы – заставить поршень давить на золотник, чтобы тот создавал усилие на рулевом колесе.

При движении на малой скорости, примерно до 20 км/ч, этот клапан не работает. Его работа чувствуется только с увеличением скорости.

Однако у такого типа компоновки есть один недостаток – гидравлический насос увеличивает нагрузку на двигатель, который, в свою очередь, потребляет больше топлива и сильнее вредит окружающей среде. Особенно нежелательное такое соседство маломощным моторам. Поэтому автомобилестроители решили не изобретать заново велосипед, а заменили гидравлический насос электромотором. Такой электромотор контролирует электронный блок управления, рассчитывающий нужные параметры на основании полученных данных от датчиков вращения рулевого колеса и скорости движения автомобиля.

Однако время не стоит на месте, поэтому следующим витком развития механизма рулевого управления стала так называемая система активного управления. Ее суть проста – между рулевым колесом и гидроусилителем с рейкой находится планетарная передача, которой управляет электромотор. При изменении скорости движения электроника путем расчетов сама подбирает необходимое передаточное число. Для маневров на небольшой скорости чувствительность рулевого колеса будет максимальной, при езде на трассе электромотор увеличит передаточное число. Тем самым обеспечивается лучшая курсовая устойчивость автомобиля.

Такая система постоянно сотрудничает с другими системами автомобиля. Например, машину занесло на скользком участке. Блок управления, получив данные о количестве оборотов колес и углах поворота рулевого управления, путем работы электромотора изменяет передаточное число на нужное в данной ситуации. Тем самым обеспечивается максимальная управляемость в сложных дорожных ситуациях.

Подобная опция хорошо действует в паре с системой ABS. Если последняя не может обеспечить полную остановку автомобиля, активный руль поможет избежать столкновения.

Также автомобилестроители работают над внедрением в производственных масштабах, так называемых электромеханических усилителей. Реализация их работы схожа со схемой работы гидроусилителей, с той лишь разницей, что вместо силового цилиндра используется электромотор, управляемый компьютером.

Единственное, что сдерживает массовое использование электромоторов в рулевых механизмах – это применяемая ныне система 12-вольтового напряжения в электросети автомобиля.

Однако будущее за системой, активно разрабатываемой сейчас мировыми автопроизводителями, под названием "управление по проводам". Эта система должна исключить прямую физическую связь рулевого колеса с передними колесами.

Положение руля отслеживает специальный электронный датчик, который посылает информацию в блок управления. Тот, в свою очередь, принимает данные от нескольких датчиков, учитывающих все параметры, связанные с движением автомобиля. Путем вычислений, блок управления дает команду электромоторам поворачивать колеса на необходимые углы.

Одним из главных достоинств такого подхода является возможность избегать столкновений путем передачи прав управления электронике. Например, автомобиль попал в сильный занос, из которого не так просто выйти. Электроника, быстрее человека, получив информацию от датчиков, повернет колеса в нужное направление, при необходимости притормозив то или иное колесо.

Подобные подходы призваны упросить жизнь автомобилисту. Например, компьютер сможет парковать автомобиль сам, сканируя датчиками расстояние до окружающих объектов.

С технологической точки зрения такая система тоже довольно выгодна – есть, как возможность упростить производство, так и увеличить количество дизайнерских решений. Ведь протянуть провода гораздо проще, чем установить вал в компании шарниров. С точки зрения безопасности подобная компоновка тоже гораздо лучше.

Количество разных вариаций на тему того, как может смотреться автомобиль без обычной системы рулевого управления, уже сейчас довольно много. Поэтому в скором будущем можно ждать подобные модели в больших количествах.

Возможно, что изменение претерпит и привычное рулевое колесо. Вместо него могут использовать джойстик, наподобие игровых. С таким устройством водитель транспортного средства сможет изменять не только направление движения автомобиля, но и регулировать его скорость.