Система активного рулевого управления afs: устройство и принцип работы

Основные составные части. Принцип работы ЭУР

Сначала рассмотрим принцип работы электроусилителя, поскольку у всех существующих видов он идентичен. Также в конструкции используются одни и те же составные части, но компоновка их может быть разной.

Итак, состоит электроусилитель из:

• Исполнительного механизма;
• Блока управления;
• Следящих датчиков.

Эти составные части присутствуют в любых типах ЭУР. Также некоторые виды дополнительно могут использовать информацию и из других датчиков – скорости движения и оборотов коленчатого вала.

Исполнительный механизм

Исполнительный механизм создает усилие, тем самым обеспечивая облегчение управления авто. Состоит он из электродвигателя и силовой передачи. Что касается мотора, то в конструкции ЭУР применяется асинхронный либо синхронный эл. двигатель бесконтактного типа, что обеспечивает высокую надежность узлу.

В ЭУР используется несколько типов силовых передач (в зависимости от типа) – червячные, шестеренчатые или же шарико-винтовые. Нередко силовые передачи исполнительного механизма называют сервоприводом.

Блок управления

Блок управления «заведует» работой исполнительного механизма. Именно он подает электрический ток (строго определенных параметров) на электродвигатель, обеспечивая включение его в работу. Подавая импульсы на исполнительный механизм, блок управления ориентируется на показания датчиков, используемых в конструкции ЭУР.

Датчики

Этих датчиков – несколько, каждый собирает определенную информацию и передает ее на блок управления. Основным среди них является датчик крутящего момента (его ещё называют датчик усилия), определяющего, какое усилие на руль приложил водитель. Также в конструкции используется датчик угла поворота руля. Опционально ЭУР также может использовать информацию о скорости движения авто и оборотах силовой установки.

Датчик крутящего момента на рулевом колесе

Измерение усилия на руле осуществляется благодаря торсиону, устанавливаемому в вал рулевой колонки. Вал в свою очередь состоит из двух: входного и выходного, соединёнными между собой торсионом. При прикладывании усилия он скручивается (чем больше сил приложить, тем сильнее угол скручивания) и валы смещаются относительно друг друга.

Этот угол и «улавливает» датчик, после чего передает полученную информацию на блок управления. На основе этих данных блок вычисляет какой импульс необходимо подать на исполнительный механизм. От этого датчика напрямую зависит, какое усилие будет компенсировать усилитель.

Стоит отметить, что сам торсион жестко связан с валами рулевой колонки и скручиваться он может только на определенный угол, поэтому даже при отказе ЭУР управление авто сохраняется.

Датчик угла поворота определяет в какую сторону водитель начал вращать руль, и благодаря информации от него блок управления устанавливает полярность тока, подаваемого на электродвигатель. Нередко датчики угла поворота и крутящего момента объединены в одну конструкцию. Располагаются они оба на рулевой колонке.

Пример устройства ЭУР с датчиком крутящего момента

Стоит отметить, что также есть и датчик обратной связи, установленный на электродвигателе, благодаря которому блок управления контролирует работу исполнительного механизма.

Задействование для работы ЭУР других датчиков – скорости движения и параметров работы мотора, дает возможность подстроить усилитель под конкретные условия движения.

Зная конструкцию, можно понять принцип работы электроусилителя руля. Имеющиеся в конструкции датчики постоянно следят за положением рулевой колонки. В случае поворота они регистрируют изменения и передают информацию на блок управления. Тот в свою очередь высчитывает параметры электрического тока и подает их на электродвигатель. При включении в работу посредством сервопривода эл. мотор создает усилие на рулевом механизме. В общем, все достаточно просто. Но здесь стоит упомянуть, что под разные условия существуют свои режимы работы ЭУР, но о них ниже.

Конструкция рулевого управления автомобиля

Рулевое управление автомобиля состоит из трех компонентов:

1. Колонки.
2. Механизма.
3. Привода.

За счет взаимодействия этих компонентов между собой осуществляется передача действий водителя на колеса управляемой оси, что и обеспечивает их поворот.

Дополнительно в конструкцию авто входит вспомогательный механизм – усилитель рулевого управления, частично компенсирующий усилие водителя,тем самым упрощая управление машиной.

Колонка

Рулевая колонка представляет собой вал, посредством которого усилие водителя передается на механизм. Один конец этого вала заведен в салон, и на него посажен руль (шлицевым соединением), посредством которого водитель и осуществляет действия для изменения направления движения (вращает его).

В современных авто рулевой вал является составным – состоящим из нескольких частей, соединенных между собой карданными шарнирами. Достоинства этой конструкции:

1. Возможность регулировки. Составное устройство позволяет водителю настроить для себя удобное положение руля (изменить вылет и угол наклона колонки);
2. Повышение безопасности. Составная конструкция является травмобезопасной — за счет карданных шарниров при фронтальном ударе авто о препятствие, колонка «ломается», а не выходит в салон навстречу водителю;

Вал рулевой колонки пустотелый, что позволяет протянуть внутри него проводку для питания  элементов – клавиши звукового сигнала, пиропатрона подушки безопасности, системы подогрева рулевого колеса.

На колонку устанавливается ряд органов управления оборудованием авто:

• переключатель поворотников;
• рычаг установки режима работы головного света (ближний, дальний свет);
• переключатель стеклоочистителей и системы омыва лобового и заднего стекла;
• переключатели передач КПП (в авто, оснащенных АКПП, РКПП, вариатором);
• клавиши управления мультимедийной системой, круиз-контролем (непосредственно на руле);
• замок зажигания;

Расположение указанных элементов на рулевой колонке обеспечивает удобный доступ к ним водителю.

Механизм

Рулевой механизм червячного типа

Рулевой механизм ключевой в системе. Этот узел обеспечивает увеличение усилия, приложенного водителем к рулю, и передачу его на привод.

Чаще всего используется рулевой механизм двух видов: червячный и реечный.

В червячном рулевом механизме основными элементами являются червячок и ролик. На легковых авто распространение получил механизм типа «шестерня-рейка». В узле этой конструкции вращательное движение шестерни преобразуется в возвратно-поступательное перемещение рейки с зубчатым сектором. Именно шестерня и рейка — ключевые элементы механизма. Эти составляющие размещаются в корпусе, закрепляемом в подкапотном пространстве на моторном щите или подрамнике.

Косозубая шестерня жестко посажена на второй конец вала рулевой колонки, поэтому воздействие на руль приводит к вращению шестеренки.

Благодаря зубьям шестеренка имеет постоянное зацепление с зубчатым сектором на рейке. Сама рейка представляет собой  шток, поэтому вращение шестерни приводит к смещению рейки по продольной оси (к примеру, при вращении руля влево, рейка уходит вправо). Рулевая рейка связана с рулевым приводом, воздействующим на колеса.

За счет такой конструкции механизма и обеспечивается передача усилия (и его увеличение благодаря заданному передаточному соотношению) от руля к приводу.

Статья в тему:

• Гидроусилитель руля: устройство и принцип работы
• Что такое демпфер в автомобиле и для чего он нужен?
• Как отрегулировать развал-схождение своими руками?

Привод

Рулевой привод включает в себя систему тяг, соединяющих рейку с поворотными кулаками колес. К рейке тяги закрепляются жестко, а вот с поворотными кулаками они соединяются через рулевые шаровые наконечники.

В зависимости от конструкции подвески, в роли поворотного кулака может выступать амортизационная стойка (подвеска МакФерсона) или ступица колеса (в рычажных подвесках).

В подвеске МакФерсона возможность вращаться стойке вокруг оси обеспечивается опорным подшипником и шаровой опорой. В рычажных же подвесках вращение ступицы осуществляется за счет использования двух шаровых опор (верхней и нижней). Опоры и опорные подшипники хоть и являются составными элементами подвески, но от них зависит и работа рулевого управления.

Требования к системе рулевого управления

Система рулевого управления преобразует соз­даваемые водителем вращательные движения рулевого колеса в изменение угла поворота управляемых колес автомобиля. Конструкция и схема системы призваны обеспечить удобное и безопасное рулевое управление автомобиля во всех ситуациях и на всех скоростях. Вся си­стема рулевого управления, от рулевого колеса и до управляемых колес, должна в этих целях обладать следующими свойствами.

Передача инициируемых водителем руля­щих движений на рулевом колесе без люфта особенно важна при движении по прямой. Это гарантирует безопасное, неутомительное для водителя управление автомобилем, пре­жде всего на средних и высоких скоростях.

Поэтому рулевой механизм должен быть очень жестким. Это необходимо для обеспе­чения точной управляемости и преодоления отклонения от заданного угла поворота ру­левого колеса под действием изменяющихся возвратных сил, возникающих, например, при изменении бокового ускорения.

Слабое трение в рулевом механизме по­зволяет водителю получать через реактивные силы тактильную обратную связь, дающую информацию о коэффициенте сцепления между дорогой и шинами. Слабое трение также помогает колесам выровняться для движения по прямой. В системах рулевого управления с мускульной энергией слабое трение обеспечивает небольшие движущие силы. В системах рулевого управления с усилителем оно повышает эффективность управления.

Кинематические параметры рулевого управления и конструкция управляемой оси автомобиля должны быть такими, чтобы во­дитель мог чувствовать величину сцепления между шинами и дорогой.

Требования к рулевому управлению

Требованиями к функционированию системы рулевого управления являются:

Легкое, безопасное рулевое управление автомобилем. Сюда, к примеру, относится тенденция рулевого управления автоматиче­ски возвращаться в положение прямолиней­ного движения при отпускании руля.

Максимально возможное демпфирование колебаний, передаваемых от колес автомо­биля на рулевое колесо при движении по не­ровным дорогам. Но этот процесс не должен приводить к потере обратной связи в рулевом управлении.

Для обеспечения чистого качения колес и, соответственно, предотвращения их из­быточного износа вся рулевая кинематика должна удовлетворять условию Аккермана. Это означает, что оси управляемых колес должны пересекаться в одной точке с осью задних колес (рис. «Условие Аккермана» ).

Достаточно жесткая схема всех компонен­тов рулевого механизма означает, что даже малые инициируемые водителем рулевые движения преобразуются в изменение на­правления управляемых колес, обеспечивая безопасную и точную управляемость авто­мобиля.

Угол поворота рулевого колеса от упора до упора по соображениям комфорта дол­жен быть как можно меньше при парковке и движении с небольшой скоростью. Однако на средних и высоких скоростях рулевое управ­ление не должно быть столь чувствительным.

Требования законодательства, предъявляемые к системам рулевого управления автомобилей

Требования законодательства, предъявляе­мые к системам рулевого управления автомо­билей, описаны в международных правилах ECE-R79. К этим требованиям, наряду с базовыми функциональными требованиями, относятся максимально допустимые управ­ляющие силы для исправной и неисправной систем рулевого управления. Эти требования регламентируют прежде всего поведение ав­томобиля и рулевого управления при въезде на круг и выезде с круга. Для автомобилей всех категорий: после отпускания рулевого колеса при движении автомобиля по окруж­ности на скорости 10 км/ч, радиус поворота автомобиля должен увеличиться или как ми­нимум остаться тем же.

Для автомобилей категории М1 (легко­вые автомобили с числом посадочных мест до 8): когда автомобиль в тангенциальном направлении выезжает из круга с радиусом 50 м на скорости 50 км/ч, в системе рулевого управления не должно возникать никаких не­обычных вибраций. В автомобилях категорий М2, М3, N1, N2 и N3 это поведение должно демонстрироваться на скорости 40 км/ч или, если это значение не достигается, то на мак­симальной скорости.

Это поведение также предписывается в случае неисправности у автомобилей с гидро- или электроусилителем рулевого управления. У автомобилей категории М1 это должно быть возможно в случае отказа сер­вопривода рулевого управления для въезда со скоростью 10 км/ч в течение 4 секунд в круг радиусом 20 м. Управляющее усилие на рулевом колесе не должно превышать 30 даН (табл. «Нормы рабочих усилий в системе рулевого управления» ).

Как устроен ЭУР

Всё устройство подразделяется на электрическую и механическую части, связь между которыми производится через датчики и электромотор с редуктором.

В состав входят такие элементы:

• исполнительный сервопривод, состоящий из электродвигателя и редуктора, который нужен из-за достаточно высоких оборотов вала электрического мотора;
• блока управления, имеющего входы от датчиков, внешних устройств и выходы на силовой двигатель;
• датчиков, вырабатывающих сигналы направления поворота руля, усилия на рулевом валу и скорости его вращения.

Питание ЭУР получает от бортовой сети автомобиля, при отключении электроники из-за неисправности рулевой механизм продолжает работать, но уже без усиления.

Принцип работы

В исходном состоянии электродвигатель не работает, энергия не потребляется. Блок управления следит за сигналами датчиков и в случае обнаружения действий со стороны водителя начинает управлять электродвигателем.

Чем сильнее закручен торсионный датчик момента на рулевой колонке, тем большее усилие создаётся со стороны сервопривода, что компенсирует отдачу от рулевой трапеции на руки водителя. Отслеживается направление поворота, скорость действий водителя и угол отклонения управляемых колёс.

В режиме парковки, когда скорость мала, усиление должно быть максимальным, руль можно вращать с большой скоростью на значительные углы, не встречая сопротивления.

Однако с ростом скорости руль должен тяжелеть, с одной стороны предупреждая водителя о недопустимости резких движений, а с другой – обеспечивая важную обратную связь по усилию, позволяющую контролировать сцепление колёс с дорогой.

ЭУР должен отслеживать возврат колёс в нейтральное положение, не всегда возможный при большом трении в механизмах. Причём эта функция работает не постоянно, в парковочных режимах возврат и переменное усиление не требуются.

Наоборот, при взаимодействии с системой стабилизации энергичный самовозврат необходим для курсовой стабилизации автомобиля, даже если водитель потерял управление. Выполняются и упреждающие действия, подобные тому, как опытный водитель выводит машину из заносов и сносов.

При автономном управлении ЭУР становится исполнительным механизмом для функции отслеживания разметки, автоматического объезда препятствий и адаптивного круиз-контроля в поворотах. Через него могут передаваться предупреждающие сигналы в виде толчков и вибраций.

Типы конструкции

Сервопривод ЭУР может встраиваться в рулевую колонку или непосредственно в рулевой механизм. Первое решение используется на лёгких бюджетных автомобилях, а второе на более массивных или спортивных.

Непосредственная связь с рулевой рейкой обеспечивается отдельной винтовой, червячной или шестерёнчатой передачей, отдельно от пары шестерня-рейка рулевого вала.

Таким образом можно передавать значительное усилие и делать это максимально точно. Но и цена устройства возрастает.

Схема

Электросхема ЭУР включает в себя блок управления, разъём с фазовыми контактами электродвигателя, два разъёма датчиков момента и положения, кабель питания, соединённый с основным монтажным блоком автомобиля, интерфейсный разъём для связи с контроллерами прочих систем и приборной панели.

Входными сигналами выступают:

• датчик скорости автомобиля;
• датчик направления поворота руля;
• тензометрический датчик момента на рулевой колонке;
• датчик скорости вращения рулевого вала там, где эта информация используется;
• двунаправленный сигнал диагностики;
• сигнал тахометра;

Выход блока работает непосредственно на фазовые обмотки двигателя, обычно асинхронного. Питание поступает по двум контактам, от замка зажигания и от клеммы аккумулятора, через установленный в монтажном блоке мощный предохранитель.

Отдельная стабилизированная цепь питания датчиков формируется в блоке управления.

Что лучше: ГУР или ЭУР?

Электрический
усилитель в отличие от гидравлического устанавливается на рулевую колонку / рейку,
а крутящий момент передается торсионным валом.

Электроусилитель
руля состоит из электрического двигателя, ЭБУ, датчиков для определения угла
поворота и крутящего момента.

Суть работы
заключается в том, что механизм передает усилие, его фиксирует датчик,
отвечающий за показания крутящего момента, информация попадает в электронный
блок управления. А блок управления решает, грубо говоря, сколько тока выделить,
чтобы можно было легко провернуть рулевое колесо.

Так что же лучше —
электрическая система управления или гидравлическая?

Особенности ГУР
таковы:

• недорого стоит;
• имеет больший запас
  мощности, что является существенным плюсом для более крупной техники –
  микроавтобусов, внедорожников, грузовой техники;
• требует постоянного
  контроля состояния – уровня жидкости, приводного ремня и других деталей,
  подверженных износу;
• напрямую зависит от
  работы двигательной системы автомобиля;
• расходует энергию
  двигателя даже при движении по прямой, так как насос ГУР работает
  постоянно;
• сложность выполнения
  поворота растет вместе со скоростью.

Кроме того,
движение с ГУР требует соблюдения некоторых правил — например, нельзя
удерживать руль в крайнем положении, так как рабочая жидкость в этом случае
может «закипеть».

Особенности ЭУР следующие:

• простота конструкции и
  компактность – никаких шлангов, масла, насосов;
• высокая стоимость;
• дорогой ремонт;
• малая мощность, что
  делает невозможной установку на крупные автомобили;
• возможность настройки
  работы под конкретный стиль вождения;
• рулевое колесо
  «чувствуется» даже на высоких скоростях, за что ЭУР заслужил признание гонщиков.

Электрический
механизм рулевого управления значительно экономит топливо.

Так как
функционирование системы контролируется ЭБУ, во время движения без
маневрирования электрический усилитель находится в «спящем» состоянии, что снижает нагрузку на двигатель автомобиля.

Чаще всего ЭУР
комплектуются более дорогие модели легковых автомобилей, так что не каждому
выгодно покупать машину с электроусилителем. Но если с деньгами нет проблем, то выбор напрашивается сам собой.

Преимущества гидравлических усилителей

Несомненным преимуществом использования гидравлических усилителей является их способность выдерживать крутящий момент. В условиях бездорожья водителю часто нужно активно действовать рулём и лишь гидравлика в подобном случае обеспечивает качественную и стабильную работу даже при существенных нагрузках. Тогда как электрика в подобных условиях начинает давать сбой, вплоть до появления серьезных поломок, устранение которых потребует существенных финансовых затрат от автовладельца.

Еще одним несомненным преимуществом таких гидравлических усилителей руля является их отзывчивость и точность

В особенности подобное важно при скоростном пилотаже, когда ватный руль может стать причиной аварии при прохождении поворотов. Используемые на бюджетных автомобилях электрические усилители не всегда могут обеспечить необходимую информативность водителю, что существенно усложняет управление такими автомобилями

Также рассказывая о гидравлических усилителях руля необходимо отметить надежность такой системы. Они эксплуатируются уже на протяжении многих лет, их конструкция полностью отработана, что повышает общую надежность автомобиля, избавляя его владельца от необходимости часто обращаться в сервис за выполнением ремонта и обслуживанием своей машины.

Если же говорить о недостатках классической гидравлической системы, то можно отметить их посредственную гибкость

Электрические установки в зависимости от скорости изменяют передаточное число, что существенно упрощает маневрирование автомобиля на минимальной скорости, что в особенности важно при парковке машины. Тогда как гидравлические системы не способны изменять передаточное число, соответственно появляются определенные сложности при маневрировании машины и управлении автомобилем на высокой скорости

Подведём итоги

Сегодня на автомобилях используются две принципиально различающихся технологии усиления рулевого управления. Электропривод появился в начале двухтысячных годов, однако сегодня такая технология свойственна лишь для недорогих автомобилей эконом-класса. Гидравлические усилители руля отличаются простотой конструкции, они надежны, долговечны, позволяют выдерживать существенные нагрузки, что неизменно сказывается на их востребованности и популярности использования на дорогих машинах.

голоса

Рейтинг статьи

Сравнительные функции

Самыми популярными и востребованными в среде автолюбителей являются гидроусилители и электроусилители рулевого управления. Эти две разновидности усиления рулевого управления имеют свои достоинства и недостатки, поэтому разберем в этой связи каждый усилитель в отдельности.

Гидравлический усилитель довольно сложно устроен. Под капотом автомобиля он занимает слишком много места, а свободное место в автомобиле, как известно, и без того является дефицитным.

При поломке гидравлической системы управление автомобилем становится вообще невозможным – это довольно серьезный недостаток. Кроме того, гидравлический усилитель вынужден работать беспрерывно, и поэтому об экономии топлива говорить не приходится. И, наконец, обслуживать гидравлический усилитель намного дороже, чем, например, усилитель электрический.

Электрический усилитель рулевого управления имеет более простой механизм и, соответственно, является более простым и дешевым в обслуживании. Это выгодно.

Как мы уже говорили, при неисправной гидравлике у гидравлического привода движение автомобиля невозможно.

А вот если в дороге сломается электрический усилитель, положение будет не таким безнадежным: рулить автомобилем все равно будет можно. Единственное неудобство при этом – водителю придется прикладывать намного больше усилий при вращении «баранки», но это для крайнего случая это не такая уж и большая беда.

Кроме того, в самом устройстве электроусилителя за ненужностью не имеется гидрошлангов, прокладок, жидкости и сальников, что избавляет водителя от излишних проблем. Об экономии топлива при электрическом усилителе вообще говорить не приходится: устройство работает от электрогенератора и к потреблению топлива вообще не имеет никакого отношения.

Заключение

Исходя из приведенных фактов, стоит сделать заключение, что именно электрический усилитель управления рулем является самым удобным и самым надежным. Но это совсем не значит что буквально все автолюбители, которые еще не сделали свой выбор, прочтя эту статью, должны сразу же приобретать именно электрические усилители.

Надо заметить, такие устройства для усиления руля могут быть не для всех водителей удобными. Некоторые автолюбители полагают, что у электрических усилителей рулевого управления не слишком высокая информативность. Но, надо сказать, что этот недостаток не очень большой, и те достоинства, которые имеются, вполне его компенсируют.

У электрических усилителей, все-таки довольно высокая степень эффективности, экономичности и надежности. Поэтому, надо думать, будущее останется за ними.

Установка усилителя руля своими руками — в видео:

В чём разница между мягкой и жёсткой подвеской?

Жесткая подвеска позволяет водителю держать дорожную ситуацию под контролем и оперативно реагировать на изменение ситуации. Такой тип часто устанавливается в спортивные авто. Но тесное сцепление с дорогой скажется на комфорте – в салоне авто будет ощущаться каждая ямка и кочка.

Мягкая подвеска обеспечивает комфорт при езде по неровным дорогам, неровности сглаживаются, транспортное средство приобретает плавный ход. Но при выполнении резких движений, например, поворот или перестройка в другой ряд, авто начнет кренится и теряется безопасность.

Настройку доверьте специалистам автомастерских, любое изменение может негативно сказаться на производительности транспорта и комфортабельности пассажиров. Малейшее изменение настройки жесткости передней и задней автоподвески относительно друг друга сказывается на управлении.

Прежде, чем сменить заводскую регулировку и отдать предпочтение жесткой или мягкой посадке, рекомендовано ознакомиться со всеми плюсами и минусами, возникающими в эксплуатации.