Гидравлический усилитель рулевого управления

Гидравлический усилитель руля

Гидравлические усилители рулевого управления в настоящее время широко применяются на грузовых автомобилях, а также на некоторых моделях автомобилей УАЗ и легковых автомобилях высокого класса.

Установка гидроусилителей руля на легковые автомобили и внедорожники УАЗ преследует не только цель облегчить усилие на рулевом колесе при управлении, но и для предотвращения потери управляемостью автомобиля в случае разрыва шины колеса. В частности, автомобили УАЗ, оборудованные гидравлическим усилителем руля, обычно предназначаются для использования в военных целях, и при повреждении шины колеса (например, из-за попадания пули или осколка), автомобиль не потеряет управляемость на любой скорости.

Гидравлический усилитель включает в себя следующие конструктивные элементы: гидронасос с баком, распределительное устройство (клапан управления) и силовой цилиндр, который создает дополнительное усилие на рулевой привод.

Взаимное расположение элементов гидравлического усилителя рулевого управления (ГУР) и их взаимосвязь существенно влияют на управляемость, маневренность и безопасность движения автомобиля. Чем ближе друг к другу расположены распределительное устройство и силовой цилиндр, тем меньше запаздывание срабатывания силового цилиндра, тем более плавно работает ГУР и тем выше устойчивость управления автомобилем в целом.

Однако для повышения воспринимаемости усилителя рулевого управления и улучшения защиты рулевого управления от внешних возмущений распределительное устройство целесообразно размещать ближе к рулевому колесу, а силовой цилиндр ближе к управляемым колесам. Поэтому в реальных конструкциях элементы ГУР могут располагаться в одном корпусе, в таком случае усилитель рулевого управления называют интегральным ( рис. 1,а ), или компоноваться в других вариантах:

распределительное устройство и силовой цилиндр объединены в одном агрегате, рулевой механизм отдельно ( рис. 1,б );
распределительное устройство и рулевой механизм в одном агрегате, а силовой цилиндр отдельно ( рис. 1,в );
все элементы усилителя рулевого управления разделены ( рис. 1,г ).

Каждая компоновочная схема имеет свои преимущества и недостатки. Наибольшее применение нашли усилители интегрального типа, конструкцию которых рассмотрим на примере усилителя автомобиля КамАЗ.

Гидравлический усилитель руля автомобиля КамАЗ

Устройство и компоновка гидравлического усилителя рулевого управления автомобилей КамАЗ приведены на рис. 2 .

Усилитель состоит из насоса 3 с бачком, клапана управления золотникового типа, гидравлического силового цилиндра, совмещенного с картером 14 рулевого механизма, радиатора 1, трубопроводов и шлангов.

Клапан управления крепится к корпусу углового редуктора 22. Корпус 17 клапана имеет выполненные с большой точностью центральное отверстие и расположенные вокруг него отверстия меньшего диаметра. Три отверстия выполнены сквозными, а три – глухими.

Золотник 18 размещен в центральном отверстии и одновременно он закреплен на винте 13 рулевого механизма между двумя упорными подшипниками 19. С одной стороны корпуса в периферийных отверстиях находятся шесть плунжеров 20 с пружинами 21, с другой стороны корпуса таких плунжеров с пружинами три.

Разное число реактивных плунжеров с двух сторон корпуса обусловлено необходимостью обеспечить одинаковые реактивные усилия на рулевом колесе от давления масла при поворотах как направо, так и налево. Неравенство усилий возникает вследствие того, что с одной стороны поршня-рейки 7 находится винт 13 и рабочие площади поршня не одинаковы. Общая площадь трех дополнительных плунжеров, установленных в глухих отверстиях, по величине равняется площади сечения винта по месту его уплотнения в крышке углового редуктора.

Внутренние кольца упорных подшипников прижаты гайкой к плунжерам, поэтому золотник все время стремится занять среднее положение относительно корпуса клапана управления. Золотник с винтом могут перемещаться в обе стороны от среднего положения на 1,1 мм, сжимая при этом пружины 21.

В отдельной бобышке корпуса расположен предохранительный клапан 16, который соединяет магистрали высокого и низкого давления масла при давлении 7,5…8,0 МПа . В одном из плунжеров, находящихся в глухих отверстиях, установлен шариковый обратный клапан 15, который соединяет обе полости 6 и 23 силового цилиндра при неработающем насосе, уменьшая сопротивление усилителя рулевого управления при повороте колес.

Насос гидроусилителя рулевого управления

В гидроусилителе рулевого управления применяется лопастной (шиберный) насос ( рис. 2 ) двойного действия - за один оборот вала насоса совершается два полных цикла всасывания и нагнетания. Он предназначен для нагнетания рабочей жидкости в усилителе рулевого управления и обеспечения ее циркуляции в гидравлической системе рулевого управления.

Основными частями насоса являются: корпус 23, бачок 7, крышка 13 насоса, вал 22, ротор 20, статор 19, распределительный диск, клапаны 16.

Вал 22 установлен в корпусе 23 насоса в шариковом 4 и игольчатом 21 подшипниках и приводится во вращение от зубчатого колеса топливного насоса высокого давления (ТНВД).

На наружном конце вала с помощью шпонки 3 и фиксирующей гайки 1 закреплено зубчатое колесо 2 привода.

На шлицах внутреннего конца вала установлен ротор 20, в радиальные пазы которого вставлены лопасти 18.

Ротор с лопастями находится внутри статора 19. Статор с распределительным диском 17 и крышкой 13 крепится к корпусу 23 насоса четырьмя стяжными болтами.

Правильное положение статора с распределительным диском относительно корпуса насоса обеспечивается двумя установочными штифтами.

В крышке насоса расположены два клапана: перепускной и предохранительный. Перепускной клапан 16 ограничивает производительность насоса при повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Предохранительный клапан, размещенный внутри перепускного клапана, ограничивает давление масла, когда оно достигает 8,5…9,0 МПа.

Сверху насос закрыт коллектором 12, служащим для снижения уровня шума и изнашивания деталей насоса в результате кавитации.

В бачке насоса расположен сетчатый фильтрующий элемент 11 и заливной фильтр 9. Бачок закрывается крышкой 8, в которой имеется сапун 10.

При вращении вала насоса лопасти, перемещаясь в пазах ротора под действием центробежных сил и давления масла, поступающего в пространство под ними, постоянно прижимаются к внутренней криволинейной поверхности статора.

Между лопастями 18, ротором 20 и неподвижными поверхностями статора 19 образуются камеры переменного объема, которые, проходя мимо зон всасывания, заполняются маслом. При уменьшении межлопастного объема масло вытесняется в нагнетательную полость через отверстия в распределительном диске.

С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя вследствие сопротивления отверстия а образуется разность давлений в полости перед перепускным клапаном 16 и за клапаном.

Перепад давлений тем больше, чем больше масла проходит в единицу времени через это отверстие, и не зависит от величины давления. При определенной разности давлений клапан, сжимая пружину 14, перемещается вправо и открывает выход масло в бачок через коллектор.

Таким образом подача масла в систему ограничивается.

При срабатывании предохранительного клапана давление в полости справа от перепускного клапана падает, что приводит к его смещению в сторону пониженного давления и перепусканию части масла в бачок, а следовательно, к снижению давления в системе.

Радиатор охлаждения масла и трубопроводы

Радиатор 1 ( рис. 1 ) предназначен для охлаждения масла, циркулирующего в гидравлическом усилителе рулевого управления. Он представляет собой изогнутую оребренную трубку, изготовленную из алюминиевого сплава.

Подвод масла в систему и отвод осуществляется по трубопроводам, в качестве которых применяются стальные трубки и резиновые рукава высокого и низкого давления.

Главная страница

Устройство автомобилей

Экзаменационные билеты

для группы Т-21 (IV семестр)

для группы Т-31 (V семестр)

для группы Т-31 (VI семестр)

КГБПОУ «Каменский агротехнический техникум»

Источники: http://k-a-t.ru/avto_shassi_2/6_rul_usilitel_gidr/index.shtml

2 ≫

В настоящее время все больше и больше легковых автомобилей оборудуются гидроусилителями рулевого управления. Собственно назначение гидроусилителя всем известно – эта система (или устройство) предназначена для облегчения поворота рулевого колеса. Ранее, гидравлической системой усиления оборудовались рулевые механизмы исключительно грузовых автомобилей и многих видов сельскохозяйственной техники. И делалось это отнюдь не ради комфорта, а ввиду того, что без гидроусилителя, повернуть рулевое колесо, например «КамАЗа», «Урала» или какого-либо сельскохозяйственного комбайна просто невозможно.

Управлять легковым автомобилем, система управления которого оборудована гидроусилителем, безусловно комфортно. Однако комфорт – не единственное предназначение усилителя. За счет того, что гидроусилитель берет на себя практически всю работу по повороту управляемых колес, автомобиль может быть оснащен рулевым колесом меньшего диаметра, и что самое важное – может быть уменьшено передаточное число рулевого механизма. Данное усовершенствование ведет к тому, что для поворота управляемых колес от упора до упора, рулевое колесо делает меньше оборотов. Автомобиль становится более отзывчив и маневрен.

Забегая немного вперед, можно сказать, что гидроусилитель руля в стандартном исполнении не так уж и полезен при определенных обстоятельствах. Как уже было сказано, автомобиль с усилителем рулевого управления становится более маневрен и отзывчив на повороты руля. Конечно же, при маневрировании в городе, на стоянке, одним словом на малых скоростях, гидроусилитель приносит огромную пользу. Однако на трассе при большой скорости, руль становится «пустой» - как говорят многие водители. Пропорционально увеличению скорости уменьшается своеобразная обратная связь и водитель перестает «чувствовать» дорогу, что весьма актуально, например, в зимнее время.

Для устранения данного недостатка конструкторы предприняли попытку установки рулевой рейки с переменным передаточным отношением. Но такое решение не возымело должного эффекта, и на помощь пришла как всегда электроника. Появился электрогидроусилитель руля (ЭГУР). Основное устройство и принцип действия остались неизменны, но добавился электронный блок управления и исполнительный механизм – электроклапан. ЭГУР, пожалуй, является наиболее совершенной модификацией гидроусилителя, потому как в такой системе максимально сбалансированы комфорт и информативность руля.

Гидроусилитель руля в различных модификациях может быть установлен на любой рулевой механизм, но рассмотрим простейший и наиболее распространенный для легковых автомобилей вариант – реечный механизм. Система гидроусилителя состоит из следующих основных частей:

масляный насос;
золотниковый распределитель;
рабочий (силовой) цилиндр;
резервуар для рабочей жидкости (масла);
всевозможные трубки, переходники и соединительные шланги.

В случае с электрогидроусилителем в устройстве присутствует электронный блок управления (ЭБУ) и электромагнитный клапан.

Масляный насос чаще устанавливается на блок цилиндров двигателя и приводится во вращение посредством ременной передачи. Назначение насоса наверняка понятно и без объяснений – создание необходимого давления масла в системе гидроусилителя. Распределитель и силовой цилиндр чаще всего являются единым целым с рулевой рейкой.

При работе двигателя, масляный насос создает необходимое давление в системе и при отсутствии поворотов рулевого колеса, масло через обратный клапан распределителя просто циркулирует по системе. Но стоит повернуть руль, как рулевой вал сразу же воздействует на следящее устройство, роль которого чаще играет торсион. Следящее устройство в свою очередь воздействует на золотниковый механизм распределителя, который сообщает между собой нагнетающий канал масляной системы с каналом одной из двух полостей силового цилиндра, тем самым помогая повернуть на необходимый угол управляемые колеса.

В том случае если рулевое колесо вывернуто до упора, нагнетаемое насосом масло давит на поршень силового цилиндра, которому уже просто некуда перемещаться. Для предотвращения поломки насоса и разрыва гидравлических шлангов в распределителе имеется предохранительный клапан , который в этом случае начинает пускать масло в свободную циркуляцию по системе. Срабатывание предохранительного клапана можно отследить по характерному звуку, который особенно заметен на автомобилях отечественного производства.

Что касается ЭГУР то, как уже было сказано, в устройстве присутствует электромагнитный клапан, который управляется при помощи ЭБУ усилителя. Электронный блок управления считывает показания с определенных датчиков, которыми могут являться датчик скорости, угла поворота руля и частоты вращения коленвала двигателя. На основании показаний этих датчиков, ЭБУ плавно закрывает или открывает клапан, тем самым изменяя давление, подаваемое в полости силового цилиндра. Другими словами – при нулевой или относительно малой скорости движения, ГУР работает в полную силу, так как клапан открыт, при наборе скорости клапан постепенно закрывается, тем самым снижая давление масла, и руль становится более информативен .

Достоинства и недостатки ГУР

Конечно же, гидроусилитель во многом облегчает жизнь водителя, а особенно тех людей, которым приходится проводить за рулем довольно продолжительное время. Но, как это чаще всего случается, за удобство приходится платить. Все дело в том, что насос гидроусилителя работает постоянно , независимо от того, поворачивается руль или нет. А, как известно, прокачивание масла по системе, да еще и под определенным давлением требует немалых усилий. Отсюда следует, что насос постоянно забирает у двигателя определенную долю мощности .

Тем не менее, гидроусилитель в стандартном варианте без всяческих электронных регулировок коэффициента усиления устанавливается на многих бюджетных автомобилях и их владельцы вполне довольны его работой. Однако конструкторы не остановились после внедрения электрорегулировки давления масла, и на смену масляному насосу пришел насос с электрическим приводом. В этом варианте масляный насос приводится во вращение посредством электродвигателя, который в свою очередь меняет частоту вращения в зависимости от скорости автомобиля. Далее от гидравлики отказались вовсе, и появился электроусилитель рулевого управления.

РЕКОМЕНДУЕМ ТАКЖЕ ПРОЧИТАТЬ:

Источники: http://autoustroistvo.ru/sistemi-upravleniya/gur/

3 ≫

Сейчас практически все выпускаемые автомобили комплектуются гидравлическим усилителем рулевого управления (аббр. ГУР). Этот механизм позволяет значительно снизить усилие водителя на рулевое колесо при управлении авто, тем самым сделать вождение более комфортабельным.

Изначально ГУР устанавливался исключительно на грузовые авто и спецтехнику, поскольку сопротивления при изменении положения колес, особенно на малых скоростях движения на такой технике – очень большое, водитель попросту не мог повернуть управляемые колеса, не приложив значительного усилия.

Сейчас же ГУР устанавливается и на легковые авто. По-большому счету на легковушках требуемое усилие для поворота колес невелико и управление машиной, не укомплектованной ГУР, сложностей не вызывает. То есть, как бы этот механизм особо и не нужен, но у него есть одно очень положительное качество, благодаря чему, в большей части, усилитель и получил распространение на легковых авто. Сводится оно к тому, что ГУР позволяет сохранить прямолинейное движение автомобиля при взрыве шины ведущей оси, не забываем и о стремлении человека к максимальному комфорту.

В общем, основной задачей усилителя на легковом авто является повышение безопасности, а уже потом только – обеспечение комфортабельности.

Устройство гидроусилителя руля включает в себя несколько основных составных элементов:

На технике использовалось два типа гидроусилителей:

Комбинированный тип отличается тем, что распределитель и цилиндр интегрированы в рулевой механизм, что позволяет в значительной мере уменьшить металлоемкость конструкции и сделать ее более компактной. Благодаря этому он получил широкое распространение, в том числе и на легковых авто.

Раздельный тип применялся на ряде грузовых авто. Его особенность заключена в том, что силовой цилиндр – отдельный элемент, взаимодействующий с приводом рулевого управления. Но из-за такого решения, конструкция ГУР получилась более громоздкой, поэтому на легковых авто она не используется.

Насос

Из названия усилителя понятно, что основным рабочим элементом в этом механизме является жидкость. Поскольку она несжимаема, то при создании давления можно получить усилие, которое и будет выполнять требуемую функцию.

И давление это создается насосом. В более простой схеме механизма насос имеет ременной привод от коленчатого вала. Этот элемент конструкции может быть шестеренчатым (менее распространенный тип) или роторным (он же лопастной). Чаще всего на авто используется второй вариант.

Устройство насоса гидроусилителя роторного типа очень простое. Основными его элементами являются корпус с подающим и выходным штуцерами и вал, на одном конце которого установлен приводной шкив, а на другом – ротор с лопастями. Этот ротор располагается в камере особой формы — статоре (его роль выполняет корпус). За счет этой формы статора и обеспечивается нагнетание жидкости, которая затем подается на выходной штуцер, ведущий на распределитель.

Лопастной насос гидроусилителя

Недостатком насоса, приводимого от коленчатого вала, является изменение создаваемого давления в зависимости от оборотов мотора. Из-за этого создаваемое ГУРом усилие на малых оборотах является недостаточным, а на высоких – чрезмерным, что приводит к появлению такого эффекта, как «пустой руль» («обратная связь» рулевого управления – отсутствует, поэтому информативность рулевого управления очень мала).

Принцип работы шестеренчатого и роторного насосов

Чтобы устранить этот недостаток, в устройство насоса гидроусилителя включен регулятор давления, поддерживающий его в заданном значении. Функционирует он очень просто – при превышении давления, регулятор, смещаясь, открывает перепускной канал между подающим и выводным каналами и часть давления сбрасывается.

Распределитель

Жидкость под давлением, созданным насосом, подается на распределитель. В задачу этого составного элемента входит распределение потока жидкости в зависимости от положения рулевого управления. Наибольшее распространение на легковых авто получил золотниковый распределитель поворотного типа. Этот узел является промежуточным звеном между валом колонки и шестерней рулевого механизма.

Устройство распределителя рейки

Состоит распределитель из двух элементов – вала и поворотного золотника. Эти элементы насажены на торсион, который соединяет между собой вал колонки и шестерню.

К распределителю подходит подающий штуцер от насоса, обратка (по ней жидкость возвращается снова в насос) и два вывода, ведущих на силовой цилиндр.

Схема работы распределителя

Суть работы распределителя такая: при вращении руля сопротивление, идущее от колес, приводит к скручиванию торсиона, что в свою очередь обеспечивает проворот золотника относительно вала распределителя. Из-за этого одни каналы открываются, а вторые закрываются, то есть, происходит перераспределение потока жидкости.

Цилиндр

Силовой цилиндр выполняет роль исполнительного элемента. В комбинированном типе ГУР он полностью интегрирован в рулевой механизм. В качестве поршня выступает рулевая рейка, на которой дополнительно имеется шайба с уплотнителями, а цилиндра – корпус. Поршень делит цилиндр на две камеры, соединенных трубопроводами с распределителем.

А теперь о том, как это все взаимодействует между собой. ГУР является герметичным механизмом и жидкость в нем циркулирует по кругу. Но при определенных режимах количество жидкости меняется, поэтому такие перепады компенсируются за счет расширительного бачка (он же и заправочный). Обычно этот бачок располагается на насосе, но может быть и вынесенным.

В целом у ГУР есть два режима работы:

Прямолинейное движение. В таком режиме золотник соединяет все подходящие к нему каналы. Жидкость в распределителе сразу подается в обратку и возвращается в насос. Также часть ее подается в обе камеры силового цилиндра, обеспечивая равное давление в них;
Поворот. При вращении руля торсион скручивается, что приводит к смещению золотника относительно вала. Для примера, рассмотрим действие механизма при повороте направо. Итак, золотник провернулся, из-за чего соединяются подающий канал и ведущий на правую камеру гидроцилиндра. При этом левая камера соединяется с обраткой. Поток жидкости в правой камере начинает давить на поршень, из-за чего увеличивается усилие. Из левой же камеры, чтобы не возникло сопротивления давлению, жидкость перетекает через распределитель и поступает в насос. При этом, если руль повернут не до упора, а лишь частично и оставить в таком положении, торсион раскрутиться. Это приведет к возврату золотника в исходное положение – соединение всех каналов и давление в камерах силового цилиндра выровняется, но уже с учетом текущего положения рейки вместе с поршнем.

Схема работы системы гидроусилителя с клапаном Servotronic (стандартные системы отличаются только отсутствием ограничительного клапана и Servotronic)

При повороте налево работа распределителя противоположна описанной. То есть, жидкость под давлением подается в левую камеру цилиндра. Как видно, основная работа у ГУР лежит на распределителе.

Часть положительных качеств использования гидроусилителя в конструкции рулевого управления уже перечислены, но есть и другие. В целом, к достоинствам можно отнести:

Повышение безопасности (ГУР позволяет удержать автомобиль при взрыве шины по время движения);
Снижение усилия, требуемого для совершения или удержания маневра;
Изменение передаточного числа рулевого механизма (для поворота колес на определенный угол требуется меньше вращать руль, чем в механизме без ГУР);
Комфортабельность управления авто.

Недостатков же у усилителя меньше, но они достаточно существенны:

ГУР – это дополнительный механизм, причем конструктивно сложный и требует обслуживания;
Некоторые элементы очень чувствительны к загрязняющим частицам, поэтому нарушение эксплуатации может привести к поломке;
Насос с приводом от коленчатого вала «забирает на себя» часть мощности мотора;
Усилитель работает только при заведенном моторе.

Стоит отметить, что благодаря установке распределителя в рулевой механизм возможно продолжать движение даже в случае выхода из строя одного из элементов ГУР или разгерметизации. Торсион в любом случае будет передавать вращение от вала колонки на шестерню механизма, поэтому управление у авто сохраниться, но усилие на руле возрастет.

Еще одним недостатком такого механизма является зависимость от оборотов коленчатого вала. Решение этой проблемы, и следующим этапом развития ГУР стал электрогидравлический усилитель.

Его особенность заключается в том, что привод осуществляется от отдельного электромотора, который входит в конструкцию насоса. Это позволяет не только поддерживать давление в требуемом значении при всех режимах работы мотора, но еще и обеспечить работу ГУР даже при незаведенном двигателе.

Дополнительно электрогидравлический усилитель управляется ЭБУ. То есть, механизм подстраивается под конкретные условия движения, создавая оптимальное усилие на руле и обеспечивая точную передачу информации – «обратную связь». Для этого ЭБУ собирает данные от ряда датчиков, на основе которых он осуществляет управление насосом и распределителем.

Несмотря на то, что гидроусилитель конструктивно значительно сложнее, чем иной тип усилителя – электрический, благодаря обеспечению «обратной связи» он является более предпочтительным, поэтому он чаще и используется.