Анализ типов усилителей рулевого управления мобильных средств

Введение. Для развития аграрного сектора страны на конкурентноспособном уровне необходимо разрабатывать и внедрять в производство инновационные технические средства и технологии [1-4]. Существенное значение в этом аспекте отводится автотракторной технике сельскохозяйственного назначения [5-8]. Корректное функционирование тракторов и автомобилей оказывает значительное влияние на качество, выполняемых производственных процессов. Одним из ключевых составных систем мобильных транспортных средств является рулевое управление. От его работы зависит ряд эксплуатационных свойств автомобилей, включая управляемость, устойчивость и комфортабельность.

Материалы и методы исследования. Определено состояние вопроса по исследуемому вопросу. Выполнен анализ современных типов усилителей рулевого управления мобильных средств: особенности их конструкции и принципов функционирования. Выявлены отрицательные и положительные свойства современных систем. Осуществлена их структуризация.

Результаты исследования. На конвейер усилители были поставлены в первой половине XX века. Тогда поворот колес грузовиков сильно затруднён: была должность помощник водителя. На крутых поворотах он помогал шоферу крутить руль [9].

Пневматический усилитель руля . Так как в тормозных системах использовался воздух в сжатом виде, то было принято решение выполнить усилитель пневматическим. Такие технические устройства наряду с простотой, а также дешевизной были чрезвычайно шумными. Они отличались с очень низкой корректностью функционирования, то есть не отвечали предъявляемым к ним требованиям [10].

Гидравлический усилитель руля. В этой связи в гидроусилителях (рис. 1) жидкость в качестве рабочего тела сменила воздух. В гидравлических усилителях нет отрицательных свойств предшественника. Приводимый двигателем насос создает требуемое давление, генерируется насосом, получающим привод от двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Распределитель, находящийся в непосредственной связи с рулевым валом, контролирует угол поворота рулевого колеса, а также сопротивление на нем, осуществляя дозировку количество масла, нагнетаемого в дополнительное специальное устройство, которое и выполняет поворот колеса. Оно может конструктивно выполнено отдельно от используемого рулевого механизма или быть изготовлено как единое целое. В этом случае гидроусилитель именуется интегральным. Он нашел широкое распространение легких транспортных средствах.

Рисунок 1 – Гидроусилитель руля

Гидроусилитель также выполняет функции демпфера – гасит толчки от неровностей рельефа дороги, передающиеся на рулевое колесо. Такая система настолько надежна, что даёт возможность сохранять машину на дороге в не штатных ситуациях: например, если лопнет покрышка, а сопротивление на «баранке» мгновенно многократно возрастет.

К отрицательным свойствам гидроусилителя относится сложность, которая влечёт за собой целый пакет операций по техническому обслуживанию. Например, таких как контроль за уровнем жидкости, герметичностью магистралей, заменой масла и т.п. Насос усилителя функционирует в непрерывном цикле: независимо от того, выполняется поворот руля или нет. При этом, мотор (двигатель внутреннего сгорания) расходует вхолостую примерно 7% мощности (для легкового автомобиля малого класса – значительная цифра). Значение давления в системе коррелирует с частотой вращения коленчатого вала ДВС. Это является причиной того, что при выполнении маневров на малых скоростях, а также при быстром вращении рулевого колеса производительность насоса не достаточна. А на высоких оборотах ДВС усилитель работает по максимуму, теряется «чувство дороги». Для устранения недостатков разрабатывают специальные технические устройства (насос с изменяемой производительностью, а также различные клапаны, модуляторы и т.д.). Это ведет к дополнительному усложнению и удорожанию конструкции механизма. В том числе, вся система имеет повышенную массу и большие габариты.

Электрогидроусилитель. Электрогидроусилитель – это заметный шаг в развитии систем усилителей руля [11, 12]. Он избавился от ряда недостатков гидроусилителей. гидравлики. Насос, создающий давление в электрогидравлическом усилителе получает привод не от ДВС, а от своего электрического двигателя. Его функционированием управляет электроника. В некоторых случаях шофер может самостоятельно запрограммировать необходимый режим работы. Производительность электрогидроусилителя не коррелирует с частотой вращения коленчатого вала ДВС. Однако масса системы в целом, а также степень ее сложности не изменяются. Значит, электрогидроусилитель – промежуточный этап перехода от гидравлики к электроусилителю.

Рисунок 2 – Схема реечного электроусилителя с двумя шестернями:

1 – датчик момента на рулевом колесе; 2 – электронный блок управления;

3 – электродвигатель усилителя; 4 – шестерня усилителя; 5 -– рейка; 6 – датчик угла поворота рулевого колеса; 7 – торсион вала рулевого управления;

8 – шестерня рулевого механизма

Усилитель совершает воздействие на рейку рулевого механизма с помощью шестерни 3, которая закреплена параллельно с основной шестерней конструкции рулевого механизма 2. Шестерня усилителя 3 получает привод от электрического двигателя 4. Передаваемый на шестерню 2 конструкции рулевого механизма вращающий момент измеряется посредством датчика момента 1. Величина развиваемого усилителем вращающего момента формируется электронным блоком управления 5 в корреляции с моментом на рулевом колесе, а также скоростью движения мобильного средства, в том числе углом поворота колес, включая скорости поворота рулевого вала и других вводимых в него данных.

Электроусилитель руля . Электрический усилитель получает широкое распространение на современных моделях автотранспортной техники (рис. 3). Им оборудованы наибольшая часть автомобилей последних выпусков. Его конструкция существенно проще, чем у гидроусилителя, а также у электрогидроусилителя – электрический двигатель элементарно доворачивает собственно рулевой вал.

Рисунок 3 – Электроусилитель руля

Электроусилитель по своим габаритам достаточно компактен и устанавливается на рулевой колонке. Информация, поступающая от множества датчиков (например, значение углов и скорости поворотов рулевого колеса, а также скорости движения мобильного средства, в том числе частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания и т.д.) поступает на электронный блок. Здесь она мгновенно обрабатывается и дает сигнал на исполнительные механизмы. Такой усилитель – это техническое устройство нового поколения. Однако большое количество производителей активно трудится над дальнейшим совершенствованием именно этой системы. Помимо всех своих преимуществ, включая минимальное техническое обслуживание, в том числе легкость и незначительную массу, электроусилитель дает возможность реализовать множество уникальных функций: автопарковка, включая удержание мобильного средства в своей полосе, а также будущее использование автопилотов.

Вывод. Выполненный анализ различных видов усилителей руля на основе литературных источников позволил сделать вывод о том, что электрические усилители в настоящее время являются наиболее перспективными.