Усилитель руля — это система, уменьшающая усилие водителя при повороте рулевого колеса транспортного средства , за счет использования источника мощности для помощи в рулевом управлении . [1]
Гидравлические или электрические приводы добавляют контролируемую энергию к рулевому механизму, поэтому водитель может прилагать меньше усилий для поворота управляемых колес при движении на типичных скоростях, и значительно уменьшить физические усилия, необходимые для поворота колес, когда транспортное средство остановлено или движется медленно. Усилитель рулевого управления также может быть спроектирован для обеспечения некоторой искусственной обратной связи сил, действующих на управляемые колеса.
Системы рулевого управления с гидроусилителем для автомобилей увеличивают усилие рулевого управления с помощью привода, гидравлического цилиндра, который является частью сервосистемы . Эти системы имеют прямую механическую связь между рулевым колесом и тягой, которая управляет колесами. Это означает, что отказ системы рулевого управления с гидроусилителем (для увеличения усилия) все еще позволяет управлять транспортным средством, используя только ручное усилие.
Системы электроусилителя руля используют электродвигатели для обеспечения помощи вместо гидравлических систем. Как и в случае с гидравлическими типами, питание привода (в данном случае двигателя) контролируется остальной частью системы усилителя руля.
Другие системы рулевого управления с усилителем (например, в самых больших внедорожных строительных машинах) не имеют прямого механического соединения с рулевым приводом; им требуется электропитание. Системы такого типа, без механического соединения, иногда называют « drive by wire » или «steer by wire», по аналогии с авиационным « fly-by-wire ». В этом контексте «провод» относится к электрическим кабелям , по которым передаются питание и данные, а не к тонким тросовым механическим кабелям управления.
Некоторые строительные машины имеют двухсекционную раму с прочным шарниром посередине; этот шарнир позволяет передней и задней осям стать непараллельными для управления автомобилем. Противоположные гидравлические цилиндры перемещают половины рамы относительно друг друга для управления.
Первая система рулевого управления с усилителем на транспортном средстве, по-видимому, была установлена в 1876 году человеком по фамилии Фиттс, но о нем мало что известно. [2] Следующая система рулевого управления с усилителем была установлена на 5-тонном грузовике Columbia в 1903 году, где для помощи водителю в повороте передних колес использовался отдельный электродвигатель . [2] [3]
Роберт Э. Туайфорд, житель Питтсбурга , штат Пенсильвания , включил механический механизм рулевого управления с усилителем в свой патент (патент США 646,477) [4], выданный 3 апреля 1900 года на первую систему полного привода. [5]
Фрэнсис В. Дэвис, инженер грузового подразделения Pierce-Arrow , начал изучать, как можно облегчить рулевое управление, и в 1926 году изобрел и продемонстрировал первую практическую систему усилителя рулевого управления. [6] [7] [8] Дэвис перешел в General Motors и усовершенствовал гидравлическую систему усилителя рулевого управления, но автопроизводитель посчитал, что ее производство будет слишком дорогим. [7] Затем Дэвис подписал контракт с Bendix , производителем деталей для автопроизводителей. Военные потребности во время Второй мировой войны в более легком рулевом управлении на тяжелых транспортных средствах повысили потребность в усилителе на броневиках и танковых ремонтно-эвакуационных машинах для британской и американской армий. [7]
Chrysler Corporation представила первую коммерчески доступную систему рулевого управления с усилителем для легковых автомобилей на Chrysler Imperial 1951 года под названием «Hydraguide». [9] Система Chrysler была основана на некоторых из истекших патентов Дэвиса. General Motors представила Cadillac 1952 года с системой рулевого управления с усилителем, используя работу, которую Дэвис сделал для компании почти двадцатью годами ранее.
В 1958 году Чарльз Ф. Хаммонд из Детройта подал несколько патентов на усовершенствования гидроусилителя руля в Канадское ведомство по интеллектуальной собственности. [10] [11] [12]
Начиная с середины 1950-х годов американские производители предлагали эту технологию в качестве дополнительного или стандартного оборудования, в то время как она широко предлагается на международном уровне на современных транспортных средствах из-за тенденций к переднему приводу , большей массе транспортного средства, снижению затрат на сборку и более широким шинам , что увеличивает требуемое усилие рулевого управления. Более тяжелые транспортные средства, как это часто бывает в некоторых странах, будут чрезвычайно трудны для маневрирования на низких скоростях, в то время как транспортные средства с меньшим весом могут вообще не нуждаться в усилителе рулевого управления.
Исследование, проведенное в 1999 году по точности восприятия обратной связи по усилию рулевого управления, показало, что обычные водители грузовиков и легковых автомобилей в реальном мире естественным образом ожидают увеличения крутящего момента обратной связи по мере увеличения скорости, и по этой причине ранние формы усилителя рулевого управления, в которых отсутствовал такой эффект, были встречены с неодобрением. [13] [14]
Гидравлические системы рулевого управления с усилителем работают, используя гидравлическую систему для умножения силы, приложенной к рулевому колесу, на управляемые (обычно передние) колеса транспортного средства. [15] Гидравлическое давление обычно поступает от героторного или роторно-лопастного насоса, приводимого в действие двигателем транспортного средства. Гидравлический цилиндр двойного действия прикладывает силу к рулевому механизму, который, в свою очередь, направляет колеса. Рулевое колесо управляет клапанами, чтобы управлять потоком в цилиндр. Чем больший крутящий момент водитель прикладывает к рулевому колесу и колонке, тем больше жидкости клапаны пропускают в цилиндр, и, таким образом, тем больше силы прикладывается для управления колесами. [16]
Одна из конструкций для измерения крутящего момента, приложенного к рулевому колесу, имеет датчик крутящего момента – торсионный стержень на нижнем конце рулевой колонки. Когда рулевое колесо вращается, вращается и рулевая колонка, а также верхний конец торсионного стержня. Поскольку торсионный стержень относительно тонкий и гибкий, а нижний конец обычно сопротивляется вращению, стержень будет скручиваться на величину, пропорциональную приложенному крутящему моменту. Разница в положении между противоположными концами торсионного стержня управляет клапаном. Клапан позволяет жидкости течь в цилиндр, который обеспечивает помощь в рулевом управлении; чем больше «скручивание» торсионного стержня, тем больше сила.
Поскольку гидравлические насосы являются насосами объемного типа, скорость потока, которую они обеспечивают, прямо пропорциональна скорости двигателя. Это означает, что при высоких оборотах двигателя рулевое управление будет работать быстрее, чем при низких оборотах двигателя. Поскольку это было бы нежелательно, ограничивающее отверстие и клапан управления потоком направляют часть выходного давления насоса обратно в гидравлический резервуар при высоких оборотах двигателя. Предохранительный клапан предотвращает опасное нарастание давления, когда поршень гидравлического цилиндра достигает конца своего хода.
Усилитель рулевого управления устроен таким образом, что в случае отказа усилителя рулевое управление продолжит работать (хотя руль станет тяжелее). Потеря усилителя рулевого управления может существенно повлиять на управляемость автомобиля. В руководстве по эксплуатации каждого автомобиля приводятся инструкции по проверке уровня жидкости и регулярному обслуживанию системы усилителя рулевого управления.
Рабочая жидкость, также называемая « гидравлической жидкостью » или «маслом», является средой, посредством которой передается давление . Обычные рабочие жидкости основаны на минеральном масле .
Некоторые современные системы также включают в себя электронный регулирующий клапан для снижения давления гидравлической подачи по мере увеличения скорости автомобиля; это рулевое управление с переменным усилением.
DIRAVI ввел новшество в пользу ныне общепринятого преимущества чувствительного к скорости рулевого управления . [17]
В этой системе усилителя рулевого управления усилие, направляющее колеса, исходит от гидравлической системы высокого давления автомобиля и всегда одинаково, независимо от скорости движения. Поворот рулевого колеса одновременно перемещает колеса на соответствующий угол с помощью гидравлического цилиндра. Для того чтобы создать искусственное ощущение рулевого управления, есть отдельная гидравлическая система, которая пытается повернуть рулевое колесо обратно в центральное положение. Величина прилагаемого давления пропорциональна скорости движения, поэтому на низких скоростях рулевое управление очень легкое, а на высоких скоростях очень трудно сместить его больше, чем на небольшое расстояние от центра.
Его изобрел французский концерн Citroën .
Эта система была впервые представлена в Citroën SM в 1970 году и была известна как «VariPower» в Великобритании и «SpeedFeel» в США.
Электрогидравлические системы рулевого управления с усилителем, иногда сокращенно 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 на двигателе.
В 1965 году Ford экспериментировал с парком Mercury Park Lanes , оснащенных «мгновенным рулевым управлением поворотом запястья» , в которых традиционное большое рулевое колесо было заменено на два 5-дюймовых (127 мм) кольца, быстрое передаточное отношение 15:1 и электрический гидравлический насос на случай остановки двигателя. [18] [19]
В 1988 году Subaru XT6 был оснащен уникальной адаптивной электрогидравлической системой рулевого управления Cybrid, которая изменяла уровень помощи в зависимости от скорости автомобиля.
В 1990 году Toyota представила второе поколение MR2 с электрогидравлическим усилителем рулевого управления. Это позволило избежать прокладки гидравлических линий от двигателя (который в MR2 находился позади водителя) до рулевой рейки.
В 1994 году Volkswagen выпустил Golf Mk3 Ecomatic с электрическим насосом. Это означало, что усилитель рулевого управления продолжал работать, в то время как двигатель был остановлен компьютером для экономии топлива. [20] Электрогидравлические системы можно найти в некоторых автомобилях Ford , Volkswagen , Audi , Peugeot , Citroën , SEAT , Škoda , Suzuki , Opel , MINI , Toyota , Honda и Mazda .
Электроусилитель руля ( EPS ) или электроусилитель руля ( MDPS ) использует электродвигатель вместо гидравлической системы для помощи водителю транспортного средства . Датчики определяют положение и крутящий момент, прилагаемый внутри рулевой колонки, а компьютерный модуль применяет вспомогательный крутящий момент через двигатель, который подключается либо к рулевому механизму, либо к рулевой колонке. Это позволяет применять различную степень помощи в зависимости от условий вождения. Таким образом, инженеры могут адаптировать реакцию рулевого механизма к системам подвески с переменной скоростью и переменной амортизацией, оптимизируя езду, управляемость и рулевое управление для каждого транспортного средства. [21] Эта новая технологическая функция также дала инженерам возможность добавлять новые функции помощи водителю. Сюда входят такие функции, как помощь в движении по полосе, коррекция сноса под действием ветра и т. д. [22] На автомобилях группы Fiat степень помощи можно регулировать с помощью кнопки под названием «CITY», которая переключается между двумя различными кривыми помощи, в то время как большинство других систем EPS имеют переменную помощь. Они оказывают большую помощь при замедлении транспортного средства и меньшую на более высоких скоростях.
Механическая связь между рулевым колесом и рулевым механизмом сохраняется в EPS. В случае отказа компонента или отключения питания, которые приводят к отказу в оказании помощи, механическая связь служит резервной. Если EPS выходит из строя, водитель сталкивается с ситуацией, когда для управления автомобилем требуется большое усилие. Это большое усилие похоже на усилие неработающей гидравлической системы помощи при рулевом управлении [ требуется ссылка ] . В зависимости от ситуации вождения, навыков вождения и силы водителя потеря помощи при рулевом управлении может или не может привести к аварии. Сложность рулевого управления с неработающим усилителем рулевого управления усугубляется выбором передаточных чисел рулевого управления в рулевых механизмах с усилителем по сравнению с полностью ручным управлением. NHTSA помогала автопроизводителям отзывать системы EPS, склонные к отказам. [23]
Электрические системы имеют преимущество в топливной экономичности , поскольку нет постоянно работающего ременного гидравлического насоса, независимо от того, требуется помощь или нет, и это является основной причиной их внедрения. Другим важным преимуществом является устранение ременного привода двигателя и нескольких гидравлических шлангов высокого давления между гидравлическим насосом, установленным на двигателе, и рулевым механизмом, установленным на шасси. Это значительно упрощает производство и обслуживание. Благодаря включению электронного контроля устойчивости системы рулевого управления с электроусилителем могут мгновенно изменять уровни помощи крутящего момента, чтобы помочь водителю в корректирующих маневрах. [24]
В 1986 году компания NSK ввела в практическое использование первую в мире систему электроусилителя рулевого управления для аккумуляторных вилочных погрузчиков. [25] В 1988 году компании Koyo Seiko (в настоящее время JTEKT) и NSK совместно разработали систему рулевой колонки исключительно для малолитражек, продаваемых только на внутреннем рынке Японии. [26] Первая в истории система электроусилителя рулевого управления для серийных легковых автомобилей появилась на Suzuki Cervo в 1988 году. [27] Однако этот простой метод не получил широкого распространения среди других автопроизводителей в первые годы из-за неестественного ощущения рулевого управления двигателем, вызванного инерцией во время быстрого рулевого управления для избежания опасности при движении на более низкой скорости, а также во время движения на более высокой скорости, когда электромагнитная муфта уменьшает усилие рулевого управления, возвращаясь к режиму ручного рулевого управления. В 1990 году в Honda NSX была введена в практическое использование система прямого полного управления рейкой без сцепления (первоначально устанавливалась только в автоматических коробках передач). С тех пор наметился переход от щеточных двигателей к бесщеточным двигателям реечного типа для обычных транспортных средств, и этот метод стал общепринятым.
Другие системы электроусилителя руля (включая 4WS) позже появились на Honda NSX после 1990 года, Honda Prelude и Subaru SVX в 1991 году, Nissan 300ZX (Z32; после 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 использовалась различными производителями автомобилей и чаще всего применялась для небольших автомобилей с целью снижения расхода топлива и производственных затрат [ необходима ссылка ] .
В 2000 году Honda S2000 Type V представила первую электрическую систему рулевого управления с переменным передаточным отношением (VGS). [28] В 2002 году Toyota представила систему «Variable Gear Ratio Steering» (VGRS) на Lexus LX 470 и Landcruiser Cygnus, а также включила электронную систему контроля устойчивости для изменения передаточных отношений рулевого управления и уровней помощи в рулевом управлении. В 2003 году BMW представила систему « активного рулевого управления » на 5 серии . [29]
Эту систему не следует путать с системой переменного усиления рулевого управления, которая изменяет крутящий момент рулевого управления, а не передаточные числа рулевого управления, или с системами, где передаточное число изменяется только в зависимости от угла поворота рулевого колеса. Последние точнее называть нелинейными типами (например, Direct-Steer, предлагаемый Mercedes-Benz ); график положения рулевого колеса в зависимости от угла поворота оси постепенно искривляется (и симметричен).
