Введение

Устройство, помогающее управлять транспортными средствами путем усиления усилия на рулевом колесе.
Усилитель руля – это система, снижающая усилие, необходимое водителю для поворота рулевого колеса автомобиля, за счет использования источника энергии для помощи в управлении. Гидравлические или электрические приводы добавляют контролируемую энергию в рулевой механизм, позволяя водителю прилагать меньше усилий для поворота колес на обычных скоростях и значительно снижая физические усилия, необходимые для поворота колес при остановке или медленном движении. Усилитель руля также может быть спроектирован таким образом, чтобы обеспечивать некоторую искусственную обратную связь от сил, действующих на рулевые колеса. Гидравлические усилители руля для автомобилей усиливают усилие на рулевом колесе посредством привода – гидравлического цилиндра, являющегося частью сервосистемы. Эти системы имеют прямое механическое соединение между рулевым колесом и рулевой тягой. Это означает, что отказ системы усилителя руля (в части усиления усилия) все равно позволяет управлять автомобилем, используя только ручное усилие. Электрические усилители руля используют электродвигатели для обеспечения помощи вместо гидравлических систем. Как и в случае с гидравлическими системами, питание привода (в данном случае – мотора) контролируется остальной частью системы усилителя руля. Другие системы рулевого управления (например, в самых больших внедорожных строительных машинах) не имеют прямого механического соединения с рулевой тягой; они требуют электрического питания. Системы такого типа, не имеющие механической связи, иногда называют "электронным управлением" или "управлением по проводам", по аналогии с авиационным "электронным полетом". В этом контексте "провода" относятся к электрическим кабелям, передающим энергию и данные, а не к тонким тросовым механическим управлениям. Некоторые строительные машины имеют двухсекционную раму с прочным шарниром посередине; этот шарнир позволяет передней и задней осям становиться непараллельными для управления машиной. Противоположные гидравлические цилиндры перемещают половины рамы относительно друг друга для осуществления управления.

История

Первый механизм рулевого управления был установлен в 1876 году человеком по фамилии Фиттс, о котором известно немногое. Следующая система гидроусилителя руля была установлена на 5-тонном грузовике Columbia в 1903 году, где отдельный электродвигатель использовался для помощи водителю в повороте передних колес. Роберт Твайфорд, житель Питтсбурга, штат Пенсильвания, включил механический гидроусилитель руля в состав своей патентной заявки (патент США 646 477), выданной 3 апреля 1900 года на первую систему полного привода. Фрэнсис Дэвис, инженер отдела грузовых автомобилей компании Pierce-Arrow, начал изучать возможности облегчения управления и в 1926 году изобрел и продемонстрировал первую практичную систему гидроусилителя руля. Дэвис перешел в General Motors и усовершенствовал гидравлическую систему гидроусилителя руля, но руководство компании посчитало ее производство слишком дорогим. Система Chrysler была основана на некоторых из истекших патентов Дэвиса. General Motors представила Cadillac 1952 года с системой гидроусилителя руля, используя разработки Дэвиса, выполненные для компании почти двадцать лет назад. Чарльз Ф. Хаммонд из Детройта подал несколько патентов на усовершенствования гидроусилителя руля в Канадское управление интеллектуальной собственности в 1958 году. Начиная с середины 1950-х годов американские производители предлагали эту технологию в качестве опции или стандартного оборудования, в то время как в настоящее время она широко используется на современных автомобилях по всему миру, благодаря тенденциям к переднему приводу, увеличению массы автомобилей, снижению затрат на производство и использованию более широких шин, что в совокупности увеличивает необходимое усилие при управлении. Тяжелым автомобилям, как это часто бывает в некоторых странах, будет крайне сложно маневрировать на низких скоростях, в то время как легким автомобилям гидроусилитель руля может не потребоваться вовсе. Исследование 1999 года, посвященное восприятию обратной связи усилия на рулевом колесе, показало, что обычные водители грузовиков и легковых автомобилей инстинктивно ожидают увеличения крутящего момента обратной связи с увеличением скорости, и по этой причине ранние системы гидроусилителя руля, лишенные этого эффекта, не получили одобрения.

Гидравлические системы

Гидравлические системы рулевого управления работают, используя гидравлическую систему для усиления усилия, прикладываемого к рулевому колесу, для управления рулевыми (обычно передними) колесами транспортного средства. Гидравлическое давление обычно создается героторным или роторно-лопастным насосом, приводимым в действие двигателем транспортного средства. Гидравлический цилиндр двойного действия передает усилие на рулевой механизм, который, в свою очередь, управляет колесами. Рулевое колесо управляет клапанами для регулирования потока жидкости в цилиндр. Чем больше крутящего момента водитель прикладывает к рулевому колесу и рулевой колонке, тем больше жидкости клапаны пропускают в цилиндр, и тем большее усилие прикладывается для поворота колес. Одна из конструкций для измерения крутящего момента, прикладываемого к рулевому колесу, использует датчик крутящего момента – торсионный вал в нижней части рулевой колонки. При вращении рулевого колеса вращается и рулевая колонка, а также верхний конец торсионного вала. Поскольку торсионный вал относительно тонкий и гибкий, а его нижний конец обычно сопротивляется вращению, вал будет скручиваться на величину, пропорциональную приложенному крутящему моменту. Разница в положении между противоположными концами торсионного вала управляет клапаном. Этот клапан позволяет жидкости поступать в цилиндр, обеспечивая помощь в рулевом управлении; чем больше "скручивание" торсионного вала, тем большее усилие. Поскольку гидравлические насосы являются насосами вытеснительного типа, скорость потока, которую они обеспечивают, прямо пропорциональна скорости вращения двигателя. Это означает, что при высоких оборотах двигателя рулевое управление будет работать быстрее, чем при низких оборотах. Поскольку это нежелательно, дроссельное отверстие и клапан регулирования потока направляют часть производительности насоса обратно в гидравлический резервуар при высоких оборотах двигателя. Предохранительный клапан предотвращает опасное повышение давления, когда поршень гидравлического цилиндра достигает конца хода. Усилитель рулевого управления устроен таким образом, что в случае его отказа рулевое управление продолжит работать (хотя руль будет ощущаться более тяжелым). Потеря усилителя рулевого управления может существенно повлиять на управляемость транспортного средства. В руководстве по эксплуатации каждого транспортного средства содержатся инструкции по проверке уровня жидкости и регулярному обслуживанию системы рулевого управления с усилителем. Рабочая жидкость, также называемая "гидравлической жидкостью" или "маслом", является средой, посредством которой передается давление. Обычно рабочие жидкости основаны на минеральном масле. Некоторые современные системы также включают в себя электронный клапан управления для снижения давления гидравлического питания по мере увеличения скорости транспортного средства; это рулевое управление с переменным усилием.

Дирави с переменным управлением с помощью силового рулевого управления

DIRAVI разработала инновационную технологию, которая впоследствии стала общепринятым преимуществом – управление с переменной чувствительностью. В этой системе гидроусилителя руля усилие, поворачивающее колеса, поступает от гидравлической системы высокого давления автомобиля и остается постоянным независимо от скорости. Поворот рулевого колеса одновременно поворачивает колеса на соответствующий угол посредством гидравлического цилиндра. Для создания ощущения обратной связи с дорогой предусмотрена отдельная гидравлическая система, которая стремится вернуть рулевое колесо в центральное положение. Величина создаваемого усилия пропорциональна скорости движения: при низких скоростях руль очень легкий, а при высоких – требует значительных усилий для отклонения от прямолинейного движения. Изобретение принадлежит французской компании Citroën. Пока в гидравлической системе автомобиля поддерживается давление, между рулевым колесом и колесами отсутствует механическая связь. Эта система впервые была применена в Citroën SM в 1970 году и была известна как 'VariPower' в Великобритании и 'SpeedFeel' в США.

Электрогидравлические системы

Электрогидравлические системы управления, иногда обозначаемые как EHPS, а также иногда называемые "гибридными" системами, используют ту же технологию гидравлического усилителя, что и стандартные системы, но гидравлическое давление создается насосом, приводимым в действие электродвигателем, а не приводным ремнем двигателя. В 1965 году Ford экспериментировал с парком Mercury Park Lanes, оснащенных системой "мгновенного управления поворотом запястья", в которой обычный большой руль был заменен двумя кольцами, быстрым передаточным отношением 15:1 и электрическим гидравлическим насосом на случай остановки двигателя. В 1988 году Subaru XT6 была оснащена уникальной адаптивной электрогидравлической системой управления Cybrid, которая изменяла степень усиления в зависимости от скорости автомобиля. В 1990 году Toyota представила второе поколение MR2 с электрогидравлическим усилителем руля. Это позволило избежать прокладки гидравлических линий от двигателя (который располагался за водителем в MR2) к рулевой рейке. В 1994 году Volkswagen выпустил Golf Mk3 Ecomatic с электрическим насосом. Это означало, что усилитель руля продолжал работать, даже когда двигатель был остановлен компьютером для экономии топлива. Электрогидравлические системы можно встретить в некоторых автомобилях марок Ford, Volkswagen, Audi, Peugeot, Citroën, SEAT, Škoda, Suzuki, Opel, MINI, Toyota, Honda и Mazda.

Электрические системы

Электрический усилитель руля (EPS) или моторный усилитель руля (MDPS) использует электродвигатель вместо гидравлической системы для облегчения управления автомобилем. Датчики определяют положение и усилие, прикладываемое к рулевой колонке, а компьютерный модуль создает вспомогательное усилие через двигатель, который подключается либо к рулевому механизму, либо к рулевой колонке. Это позволяет изменять степень помощи в зависимости от условий движения. Таким образом, инженеры могут настроить реакцию рулевого механизма для систем подвески с переменной жесткостью и демпфированием, оптимизируя управляемость, комфорт и рулевое управление для каждого автомобиля. Эта новая технологическая особенность также позволила инженерам добавить новые функции помощи водителю, такие как система удержания полосы движения и коррекция сноса от ветра. На автомобилях Fiat степень помощи можно регулировать с помощью кнопки "CITY", которая переключает между двумя различными характеристиками усиления, в то время как большинство других систем EPS имеют переменную помощь, увеличивающуюся на низких скоростях и уменьшающуюся на высоких. В EPS сохраняется механическая связь между рулевым колесом и рулевым механизмом. В случае отказа компонента или отключения питания, приводящего к потере помощи, механическая связь служит резервной. При отказе EPS водителю потребуется приложить значительное усилие для управления автомобилем, сравнимое с усилием при неисправной гидравлической системе усиления руля. В зависимости от дорожной ситуации, навыков и физической силы водителя, потеря помощи рулевому управлению может привести к аварии или не привести к ней. Сложность управления при неработающем усилителе руля усугубляется передаточным отношением рулевого управления в автомобилях с усилителем по сравнению с полностью механическим рулевым управлением. NHTSA оказывает помощь автопроизводителям в отзыве систем EPS, склонных к отказам. Электрические системы более экономичны, поскольку отсутствует ременной привод гидравлического насоса, работающего постоянно, независимо от необходимости в усилении, что является основной причиной их внедрения. Еще одним важным преимуществом является устранение ременного привода двигателя, а также нескольких гидравлических шлангов высокого давления между гидравлическим насосом, установленным на двигателе, и рулевым механизмом, установленным на шасси, что значительно упрощает производство и обслуживание. Благодаря интеграции с системой электронного контроля устойчивости, электрический усилитель руля может мгновенно изменять уровень вспомогательного усилия для помощи водителю при корректирующих маневрах. В 1986 году компания NSK впервые в мире внедрила электрический усилитель руля для аккумуляторных вилочных погрузчиков. В 1988 году компании Koyo Seiko (в настоящее время JTEKT) и NSK совместно разработали систему рулевой колонки, предназначенную исключительно для микроавтомобилей, продаваемых только на внутреннем рынке Японии. Первая серийная система электрического усилителя руля для легковых автомобилей появилась на Suzuki Cervo в 1988 году. Однако этот простой метод не получил широкого распространения у других автопроизводителей в первые годы из-за неестественного ощущения рулевого управления, вызванного инерцией при резких поворотах для предотвращения опасности на низких скоростях, а также на высоких скоростях, когда электромагнитная муфта уменьшает усилие на руле, возвращая управление в ручной режим. В 1990 году система прямого полного управления с помощью реечного механизма без муфты была внедрена в Honda NSX (первоначально только на автомобилях с автоматической коробкой передач). С тех пор наблюдается переход от двигателей с щетками к бесщеточным двигателям в реечных системах для обычных автомобилей, что стало основным методом. Другие системы электрического усилителя руля (включая 4WS) позже появились на Honda NSX после 1990 года, Honda Prelude и Subaru SVX в 1991 году, Nissan 300ZX (Z32; начиная с версии 3), Silvia, Skyline и Laurel в 1993 году, MG F, FIAT Punto Mk2 в 1999 году, Honda S2000 в 1999 году, Toyota Prius в 2000 году, BMW Z4 в 2002 году и Mazda RX 8 в 2003 году. Система используется различными производителями автомобилей и чаще всего применяется на небольших автомобилях для снижения расхода топлива и производственных затрат.

Системы с электрически изменяемым коэффициентом передач

В 2000 году Honda S2000 Type V представила первую электрическую систему рулевого управления с переменным передаточным отношением (VGS). В 2002 году Toyota представила систему "Variable Gear Ratio Steering" (VGRS) на Lexus LX 470 и Landcruiser Cygnus, а также интегрировала систему электронной стабилизации для изменения передаточных отношений рулевого управления и уровней усилия на руле. В 2003 году BMW представила систему "активного рулевого управления" на 5-й серии. Эту систему не следует путать с рулевым управлением с переменным усилием, которое изменяет крутящий момент помощи, а не передаточные отношения, а также с системами, в которых передаточное отношение изменяется только в зависимости от угла поворота рулевого колеса. Последние точнее описываются как нелинейные системы (например, Direct Steer от Mercedes Benz); график зависимости положения рулевого колеса от угла поворота колес имеет прогрессивно изогнутую (и симметричную) форму.