Устройство и принцип работы электрического усилителя руля (ЭУР)

Назначение ЭУР и его особенности

Основная цель — снизить нагрузку на рулевое колесо, уменьшить усилие на руле и тем самым повысить точность управления. В англоязычной литературе это устройство называется EPS — Electric Power Steering, что буквально означает электрический усилитель руля.

Помимо сохранения возможностей используемого до сих пор EPS, функции устройства были расширены, поскольку электроника имеет несравненно лучшие характеристики рулевого управления, основанные на сигналах датчиков, обрабатываемых блоком управления. Это привело к появлению ряда преимуществ и новых функций:

• повышенная точность управления, электрические сигналы не имеют инерции, они гораздо точнее примитивов насосов и клапанов и имеют широкий диапазон измеряемых и силовых значений;
• Экономия топлива достигается благодаря тому, что гидравлический насос не работает постоянно, хотя его потребление переменное; электромотор вообще не потребляет ток, когда водителю не оказывается помощь;
• более высокая надежность благодаря отсутствию рабочей жидкости, требующей многочисленных уплотнений и меняющей свои свойства со временем, и меньшему количеству движущихся механических частей с присущим им износом;
• возможность адаптации и внешнего управления путем простого подключения соответствующих устройств помощи водителю и компонентов автономного вождения к интерфейсу;
• установка ранее недостижимого угла поворота и усилия на руле в зависимости от текущей ситуации;
• бесшумная работа;
• простота организации любого принципа обратной связи от управляемых колес к водителю.

В то же время, ESC имеет ограничения, поскольку питается от бортовой сети, которая не безгранична. Однако это не является проблемой для относительно легких автомобилей, если только автомобиль не является грузовиком.

Достоинства и недостатки

Как и любое устройство, электроусилитель руля имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам ЭСК относятся:

• Повышенная топливная экономичность автомобиля. ESC не «отбирает» мощность у трансмиссии и включается только при повороте рулевого колеса;
• Простая конструкция и сниженная металлоемкость;
• Компактность;
• Не требует технического обслуживания;
• Тишина;
• Не требует технического обслуживания; Бесшумная работа; Регулируемый режим работы.

Именно благодаря этим преимуществам CPS получила такое широкое распространение. Но недостатки этого типа гидроусилителя руля также существенны. Среди основных недостатков отмечены следующие:

• Меньшая информативность (по сравнению с GUR);
• Возможность сбоя в работе электронного компонента, приводящего к неисправности;
• Все узлы практически не подлежат восстановлению, а стоимость ремонта тех узлов, которые подвержены ему, очень высока;
• Низкая мощность исполнительного механизма и, следовательно, неприменимость CSC на некоторых автомобилях (внедорожники, фургоны, грузовики);
• Вероятность отключения электроусилителя руля при перегреве электродвигателя (это может произойти при движении в тяжелых условиях с постоянно работающим усилителем).

В целом, электроусилитель руля является достойным конкурентом CPS и находит все большее применение, хотя вряд ли когда-нибудь полностью заменит его.

Что лучше – гидро- или электроусилитель рулевого управления

Большинство производителей автомобилей все чаще отдают предпочтение электроусилителям руля. Для этого есть несколько веских причин:

• небольшие размеры общей конструкции;
• высокая точность и информативность рулевого управления;
• простота работы электробустера, при незначительных эксплуатационных недостатках;
• простое обслуживание, не требующее контроля уровня масла, приводов, шлангов;
• Гидроусилитель руля не позволяет удерживать колеса в крайних положениях более 5 секунд, иначе велика вероятность перегрева масла и выхода устройства из строя.

Гидравлический усилитель руля, помимо своей сложности, отличается также зависимостью от двигателя, что приводит к общему увеличению расхода топлива. Эта цифра относительно невелика — не более 0,5 литра на сотку — но она имеет значение для многих автомобилистов. Следует упомянуть и еще одну не слишком приятную особенность гидроусилителя руля — не самую высокую точность. Для совершения резкого маневра необходимо многократно повернуть рулевое колесо.

Появление электроусилителя руля позволило оснастить автомобиль дополнительными опциями, повышающими безопасность и комфорт водителя. К ним относится система, помогающая водителю при парковке в автоматическом режиме, соблюдении положения на полосе движения и т.д. Система курсовой устойчивости современного автомобиля также включает в себя электроусилитель руля.

Выход силового агрегата воздействует непосредственно на фазные обмотки двигателя, обычно асинхронного. Питание подается через две клеммы, одну от блокиратора зажигания, а другую от клеммы аккумулятора, через сверхмощный предохранитель, установленный в монтажном блоке.

Преимущества ЭУР перед ГУР и ЭГУР

Водители автомобилей, оснащенных гидравлическими и электрическими усилителями руля, вынуждены мириться с их многочисленными недостатками, а именно:

• Колеса можно удерживать в крайнем положении не более пяти секунд, иначе масло в системе перегреется и гидравлическая система управления выйдет из строя.
• Необходимость периодического технического обслуживания (необходимо проверять уровень масла, менять масло, следить за состоянием приводов, шлангов и насоса).
• Часть мощности двигателя автомобиля расходуется на работу CUH;.
• Устройство работает в одном режиме независимо от условий движения;.
• Снижение информативности рулевого управления на высоких скоростях (этот недостаток частично устраняется при использовании рулевого механизма с переменным передаточным отношением).

Преимуществами рулевого управления с электроусилителем являются надежность, экономичность и компактность. В его основе лежит электродвигатель, что упрощает эксплуатацию. Электроусилитель руля не работает от трансмиссии автомобиля и предназначен только для работы во время движения автомобиля, что позволяет экономить от 0,4 до 0,8 литров топлива в зависимости от стиля вождения и дорожных условий. Электроусилитель руля не требует технического обслуживания, однако в случае поломки неисправные компоненты полностью заменяются, что означает, что стоимость ремонта значительно выше.

Важнейшим преимуществом электроусилителя руля является то, что водитель может изменять степень помощи усилителя в зависимости от условий движения, что позволяет добиться более острого рулевого управления на высоких скоростях и более легкого рулевого управления на низких скоростях. Одну и ту же модель можно использовать на разных автомобилях, для этого достаточно изменить настройки электронного блока управления.

Строение конструкции

Существует множество вариантов конструкции электробустера, поэтому для наглядности рассмотрим продукцию лидера в этом производстве — электробустер марки Servolectric. CPS выбирается и «настраивается» с учетом конкретного типа автомобиля. В миниатюрных автомобилях электроусилитель установлен на рулевом валу, среди автомобилей второй передачи передача вспомогательной мощности осуществляется через навесную коробку передач, а фургоны и внедорожники используют конструкцию, параллельную оси.

Поскольку легковые автомобили не нуждаются в большом влиянии ESC, привод гусениц и электродвигатель в таких автомобилях устанавливаются настолько миниатюрно, что все оборудование легко помещается под рулевым колесом в салоне автомобиля. Одновременно там же размещаются все датчики. Такое расположение очень выгодно хотя бы потому, что вся конструкция надежно защищена от высоких температур и грязи.

Автомобили среднего класса оснащаются электроусилителем руля с парой передач. Один из этих редукторов питает усилитель рулевого управления реечного типа, а другой дополнительно питает электродвигатель.

Для создания большей мощности используется конструкция с параллельными осями. Здесь для придания линейного движения стойке используется привод с зубчатым ремнем и специальный механизм.

Независимо от принципа конструкции, в случае поломки водитель все равно может безопасно управлять автомобилем благодаря прямому механическому контакту между колесом и рулем.

Порядок работы ЭУР

Главный датчик, который рассчитывает выходное усилие, установлен в рулевой колонке рулевого колеса. Кручение торсионной балки определяется датчиком относительного движения торсионной балки и передается на компьютер в виде переменной величины. Величина скручивания и направление движения торсионного стержня зависят от усилия, прилагаемого водителем, и от того, в какую сторону он намерен повернуть.

Сила, т.е. величина дополнительного усилия, прикладываемого к шестерне, и скорость вращения ведущей шестерни определяются режимом работы транспортного средства, определяемым контроллером. Это могут быть совершенно разные вещи, например:

• медленное вращение;
• быстрое прохождение поворотов;
• изменение направления движения на высокой скорости;
• режим парковки с быстрым поворотом рулевого колеса почти в состоянии покоя;
• самопроизвольный возврат рулевого колеса в нейтральное положение;
• удерживая рулевое колесо примерно в нулевом положении;
• начало проскальзывания осей при низком коэффициенте тяги;
• неконтролируемое скольжение транспортного средства;
• сход с полосы движения, обнаруженный системой удержания.

Каждая ситуация обрабатывается в соответствии с алгоритмом, назначенным для нее в программном обеспечении устройства.

Виды ЭУР

Как и все в автомобильном дизайне, ESD развивался, и сейчас существует несколько его разновидностей, каждая из которых нашла свое применение в различных типах автомобилей. И хотя его основной принцип остался прежним, некоторые детали серьезно влияют на его качество и удобство. По месту установки различают три основных типа.

1. Электроусилитель руля интегрирован в рулевую колонку.
2. Двойной усилитель рулевого управления, интегрированный в рулевую рейку.
3. Электрический усилитель руля с винтовым соединением.

Эти типы отличаются схемой подключения электродвигателя и типом привода, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Давайте рассмотрим все из них.

Электроусилитель, встроенный в рулевую колонку с червячной передачей

Электроусилитель руля, интегрированный в рулевую колонку с червячным редуктором

Самый простой и дешевый тип электроусилителя руля. Двигатель и червячный редуктор установлены непосредственно на рулевой колонке и управляют ею. Другие компоненты рулевого управления (например, рейка и шестерня) не затрагиваются. Преимущества такой конструкции в том, что электродвигатель расположен внутри автомобиля, а значит, его легко снимать и обслуживать, и он меньше страдает от холодной и влажной погоды. Кроме того, простая конструкция рулевой рейки упрощает и снижает затраты на ремонт. Однако эта система не может справиться с большими нагрузками, поэтому ее устанавливают на небольшие автомобили. Приведенный ниже видеоролик наглядно демонстрирует эту систему гидроусилителя руля.

Электроусилитель, встроенный в рулевую рейку

Электроусилитель руля интегрирован в рулевую рейку: 1 — датчик крутящего момента на рулевом колесе; 2 — ведущая шестерня 1; 3 — ведущая шестерня 2; 4 — электродвигатель усилителя руля; 5 — электронный блок усилителя руля; 6 — датчик угла поворота рулевого колеса; 7 — поворот рулевого вала

Более требовательная к обслуживанию конструкция, используемая на автомобилях среднего класса. Как следует из названия, электродвигатель установлен на рулевой рейке, где он соединен с промежуточным валом. Здесь шестерня используется для передачи усилия на саму шестерню.

Основным недостатком этого типа ESD является то, что он монтируется в стойку, что делает его более подверженным воздействию внешних факторов. Даже если устройство имеет защитный кожух, он постепенно разрушается под воздействием влаги и перепадов температуры. А его расположение в шасси затрудняет его демонтаж и ремонт.

Сложная конструкция, в которой электродвигатель размещен на подставке не со стороны рулевой колонки, а с противоположной стороны.

Для управления используются две шестерни: одна соединена с промежуточным валом и вращается непосредственно от усилия, прилагаемого водителем. Другая шестерня установлена на другой стороне стойки и приводится в движение электродвигателем.

Такая двойная конструкция значительно увеличивает стоимость приобретения или ремонта рулевой шестерни. С другой стороны, надежность этого механизма достаточно высока благодаря его особенностям.

ЭУР с винт-шариковой гайкой

Шарико-винтовая рулевая тяга

Новейший и наиболее удачный вариант электроусилителя руля. Во-первых, в нем используется другая конструкция двигателя, который практически не имеет инерции при остановке и запуске. Ну, и нет червячного редуктора, чтобы снять часть усилий с электродвигателя. Благодаря этим изменениям точность и информативность рулевого управления находятся на самом высоком уровне.

Работа системы рулевого управления с шариковыми гайками

В системе рулевого управления используется шаровая гайка, которая напрямую соединена с электродвигателем. Во время работы двигатель вращает гайку в ту или иную сторону, а та, в свою очередь, перемещает рулевую рейку, как показано на анимации выше.

Основные режимы

Электроусилитель руля имеет два основных режима работы. Они характеризуются скоростью, с которой движется транспортное средство. В первом режиме, при движении на низкой скорости, например, при парковке, когда требуется большая маневренность и рулевое колесо необходимо повернуть в крайние левое и правое положения, EPS прикладывает максимальное усилие к рулевому механизму для обеспечения «легкого руления». В этом режиме рулевое колесо можно поворачивать одним пальцем.

И наоборот, при движении на высоких скоростях рулевое управление становится «жестким», создавая эффект возврата колес в центральное положение. Это делается для повышения безопасности вождения.

Также имеются режимы, позволяющие удерживать автомобиль на дороге при сильном встречном ветре и при движении с колесами разной степени накачки. Эти режимы достигаются с помощью специальных настроек на блоке управления. В автомобилях бизнес- и премиум-класса наличие системы ESC позволяет реализовать опцию автоматической парковки.