Принцип роботи кермової рейки з гідропідсилювачем
Зміст
Принцип роботи рульової рейки з гідропідсилювачем заснований на короткочасному впливі тиску, що створюється насосом на циліндр, який зсуває рейку в потрібну сторону, допомагаючи водієві керувати автомобілем. Тому автомобілі з ГУР набагато комфортніші, особливо при маневрах на низькій швидкості або їзді в складних умовах, адже така рейка бере на себе більшу частину навантаження, необхідного для повороту колеса, а водій лише віддає їй команди, при цьому не втрачаючи зворотного зв'язку з дорогою .
Рульова рейка в індустрії легкового транспорту давно витіснила інші типи подібних пристроїв завдяки своїм технічним характеристикам, про які ми розповідали тут (Як влаштована рульова рейка). Але, незважаючи на простоту конструкції, принцип роботи кермової рейки з гідропідсилювачем, тобто гідравлічним підсилювачем, досі залишається незрозумілим для більшості автовласників.
Розвиток кермового управління – короткий огляд
З появи перших автомобілів основою рульового управління став шестерний редуктор з великим передатним числом, що різним способом повертає передні колеса транспортного засобу. Спочатку це була колонка з прикріпленою знизу сошкою, тому доводилося використовувати складну конструкцію (трапецію), щоб передати зусилля на поворотні кулаки, до яких прикручені передні колеса. Потім винайшли рейку, що теж є редуктором, який передавав поворотне зусилля на передню підвіску без додаткових конструкцій і, незабаром цей тип рульового механізму повсюдно витіснив колонку.
Але основний недолік, що випливає з принципу роботи цього пристрою, подолати не вдалося. Збільшення передавального числа дозволяло крутити кермо, яке також називають кермовим колесом або бубликом, без зусиль, але змушувало робити більше поворотів для переміщення поворотного кулака з крайнього правого в крайнє ліве положення або навпаки. Зниження передавального числа робило рульове управління більш гострим, адже машина сильніше реагувала навіть на незначний зсув бублика, але для керування таким авто були потрібні великі фізична сила і витривалість.
Спроби вирішити цю проблему з початку ХХ століття, причому, частина з них була пов'язана з гідравлікою. Сам термін «гідравліка» з'явився з латинського слова hydro (гідро), що означало воду або якусь рідку речовину, за своєю текучістю можна порівняти з водою. Проте до початку 50-х років минулого століття все обмежувалося експериментальними зразками, які неможливо було втілити в серійне виробництво. Прорив стався у 1951 році, коли компанія Chrysler представила перший серійний гідропідсилювач керма (ГУР), що працює спільно з кермовою колонкою. З того часу загальний принцип роботи гідравлічної рульової рейки або колонки залишався незмінним.
Перший ГУР мав серйозні недоліки, він:
- сильно навантажував двигун;
- посилював поворот керма лише на середніх або високих оборотах;
- на великих оборотах двигуна створював надлишковий тиск (напір) і водій втрачав зв'язок з дорогою.
Тому нормально працюючий гідропідсилювач з'явився лише на рубежі XXI, коли основним кермовим механізмом вже стала рейка.
Як працює гідропідсилювач
Щоб зрозуміти принцип роботи гідравлічної рульової рейки, необхідно розглянути елементи, що входять до неї, і виконувані ними функції:
- насос;
- редукційний клапан;
- розширювальний бачок та фільтр;
- циліндр (гідроциліндр);
- розподільник.
Кожен елемент є частиною гідропідсилювача, тому правильна робота ГУР можлива лише коли всі складові чітко виконують своє завдання. На цьому відео показано загальний принцип роботи такої системи
насос
Завданням цього механізму є постійна циркуляція рідини (гідравлічного масла, АТФ або ATF) системою гідропідсилювача зі створенням певного тиску, достатнього для повороту коліс. Насос ГУР ременем підключений до шківа колінчастого валу, якщо автомобіль оснащений електрогідропідсилювачем, то його роботу забезпечує окремий електромотор. Продуктивність насоса вибирають такий, щоб навіть на неодружених оборотах він забезпечував поворот машини, а надлишковий напір, що виникає при збільшенні оборотів, компенсує редукційний клапан.
Насос ГУР роблять два типи:
- пластинчастий;
- шестерний.
насос ГУР
На легковиках з гідравлічною підвіскою один насос забезпечує роботу обох систем – ГУР та підвіски, але працює за тим самим принципом. Від звичайного він відрізняється лише збільшеною потужністю.
Редукційний клапан
Ця деталь гідравлічного підсилювача працює за принципом перепускного клапана, що складається з кульки, що замикає, і пружини. Під час роботи насос гідропідсилювача створює циркуляцію рідини з певним тиском, адже його продуктивність вища за пропускну здатність шлангів та інших елементів. У міру зростання оборотів двигуна збільшується тиск у системі ГУР, що впливає через кульку на пружину. Жорсткість пружини підібрана так, щоб відкриття клапана відбувалося за певного тиску, а діаметр каналів обмежує його пропускну здатність, тому спрацьовування не призводить до різкого падіння напору. Коли клапан відкривається, частина масла йде в обхід системи, що стабілізує тиск на необхідному рівні.
Редукційний клапан ГУР
Незважаючи на те, що редукційний клапан встановлений усередині насоса, він є важливим елементом гідропідсилювача, тому стоїть в одному ряду з іншими механізмами. Його несправність або неправильна робота ставить під загрозу не тільки ГУР, але й безпеку руху на дорозі, якщо через надмірний гідравлічний напір лопне магістраль, що подає, або з'явиться витік, реакція автомобіля на поворот керма зміниться, а не має досвіду людина за кермом ризикує не впоратися з керуванням. Тому пристрій рульової рейки з гідропідсилювачем має на увазі максимальну надійність як усієї конструкції в цілому, так і кожного окремого елемента.
Розширювальний бачок та фільтр
Під час роботи ГУР гідравлічна рідина примусово циркулює по системі гідропідсилювача і на неї впливає тиск, створюваний насосом, що призводить до нагрівання і розширення масла. Розширювальний бачок приймає надлишок цього матеріалу, завдяки чому його об'єм в системі завжди однаковий, що виключає стрибки тиску, викликані температурним розширенням. Нагрів АТФ і знос елементів, що труться, призводить до появи в маслі металевого пилу та інших забруднень. Потрапляючи в золотник, він же розподільник, це сміття забиває отвори, порушуючи роботу гідропідсилювача керма, що негативно впливає на керованість автомобіля. Щоб уникнути такого розвитку подій, у ГУР вбудований фільтр, який видаляє з циркулюючої гідравлічної рідини різне сміття.
циліндр
Ця деталь гідропідсилювача є трубою, всередині якої знаходиться частина рейки з встановленим на ній гідравлічним поршнем. По краях труби встановлені сальники, що перешкоджають витіканню АТФ під час підняття тиску. Коли масло по трубках надходить у відповідну частину циліндра, поршень зміщується в протилежний бік, штовхаючи рейку і через неї впливаючи на рульові тяги і поворотні кулаки.
Циліндр ГУР
Завдяки такій конструкції ГУР поворотні кулаки починають зміщуватись ще до того, як ведуча шестерня перемістить рейку.
розподільник
Принцип роботи кермової рейки з гідропідсилювачем полягає в короткочасній подачі гідравлічної рідини в момент повороту керма, завдяки чому рейка почне рухатися ще до того, як шофер докладе цього серйозне зусилля. Таку короткочасну подачу, а також злив надлишку рідини з гідроциліндра забезпечує розподільник, який нерідко називають золотником.
Щоб зрозуміти принцип роботи цього гідравлічного пристрою, необхідно не тільки розглянути його в розрізі, а й повніше проаналізувати його взаємодію з іншими елементами ГУР. Поки положення керма і поворотних кулаків відповідають один одному, розподільник, він же золотник, блокує надходження рідини в циліндр з будь-якої сторони, тому тиск всередині обох порожнин однаковий, і він ніяк не впливає на напрямок обертання колісних дисків. Коли водій повертає кермо, невелике передавальне число редуктора кермової рейки не дозволяє йому швидко повернути колеса без докладання значних зусиль.
розподільник ГУР
Завданням розподільника ГУР є подача АТФ в гідроциліндр лише тоді, коли положення керма не відповідає положенню коліс, тобто коли водій повертає бублик, спочатку спрацьовує розподільник і змушує циліндр впливати на поворотні кулаки підвіски. Така дія повинна бути короткочасною і залежати від того, наскільки сильно водій повернув кермо. Тобто спочатку колеса повинен повертати гідроциліндр, а потім уже водій, така послідовність дозволяє прикладати мінімальні зусилля для повороту, але при цьому «відчувати дорогу».
Принцип роботи
Необхідність такої роботи розподільника була однією з проблем, які перешкоджали серійному виробництву гідропідсилювачів, адже зазвичай у машині кермо та кермовий редуктор з'єднані жорстким валом, що не тільки передає зусилля на поворотні кулаки, але й забезпечує пілоту машини зворотний зв'язок із дорогою. Щоб вирішити проблему, довелося повністю змінити пристрій валу, що з'єднує кермо та ведучу шестерню кермового механізму. Між ними встановили розподільник, основою якого є принцип торсіону, тобто пружного, здатного до скручування стрижня.
Коли водій повертає кермо, спочатку трохи скручується торсіон, через що виникає неузгодженість між положенням кермового та передніх коліс. У момент такої неузгодженості золотник розподільника відкривається і гідравлічне масло надходить у циліндр, який зміщує рульову рейку в потрібну сторону, а значить, усуває неузгодженість. Але, пропускна здатність золотника розподільника невисока, тому гідравліка не повністю замінює зусилля водія, а значить, чим швидше потрібно повернути, тим сильніше доведеться крутити кермо шоферу, що забезпечує зворотний зв'язок і дозволяє відчувати машину на дорозі.
Пристрій
Щоб виконати таку роботу, тобто дозовано подавати АТФ в гідроциліндр і припиняти подачу після усунення неузгодженості, довелося створювати досить складний гідравлічний механізм, який працює за новим принципом і складається з:
- з'єднаного з провідною шестернею торсіону, що забезпечує неузгодженість при повороті керма;
- внутрішньої частини золотника;
- зовнішньої частини золотника.
Внутрішня та зовнішня частини золотника прилягають один до одного настільки щільно, що між ними не просочується жодної краплі рідини, крім того, в них просвердлені отвори для подачі та повернення АТФ. Принцип роботи такої конструкції полягає в чіткому дозуванні гідравлічної рідини, що подається в циліндр. Коли положення керма і рейки узгоджено, що подають і зворотні отвори зміщені один щодо одного і рідина через них в циліндри не надходить і не витікає звідти, тому останній постійно заповнений і немає загрози повітря. Коли пілот машини повертає кермо, спочатку скручується торсіон, зовнішня і внутрішня частини золотника зміщуються відносно один одного, через що поєднуються отвори одного боку і зливні інший.
Надходячи в гідроциліндр, масло тисне на поршень, зміщуючи його до краю, останній зміщує на рейку і починає пересуватися ще до того, як ведуча шестерня впливає на неї. У міру усунення рейки йде неузгодженість між зовнішньою і внутрішньою частиною золотника, завдяки чому поступово припиняється подача масла, а коли положення коліс досягає балансу з положенням керма, подача та вихід АТФ повністю блокуються. У такому стані циліндр, обидві частини якого заповнені маслом і утворюють дві замкнуті системи, виконує стабілізуючу роль, тому при наїзді на нерівність до керма доходить імпульс помітно меншої сили і, кермо не вириває з рук водія.
Висновок
Принцип роботи рульової рейки з гідропідсилювачем заснований на короткочасному впливі тиску, що створюється насосом на циліндр, який зсуває рейку в потрібну сторону, допомагаючи водієві керувати автомобілем. Тому автомобілі з ГУР набагато комфортніші, особливо при маневрах на низькій швидкості або їзді в складних умовах, адже така рейка бере на себе більшу частину навантаження, необхідного для повороту колеса, а водій лише віддає їй команди, при цьому не втрачаючи зворотного зв'язку з дорогою .
