Гидроусилитель руля

Устройство

Гидроусилитель представляет собой замкнутую гидравлическую систему, состоящую из насоса, регулятора давления, бачка с запасом гидравлической жидкости, управляющего золотника и силового гидроцилиндра.

Насос (с приводом от двигателя автомобиля или электромотора), регулятор давления (обычно в виде перепускного клапана, сливающего избыток расхода насоса мимо золотника) и бачок с запасом гидравлической жидкости предназначены для создания рабочего перепада давлений в гидросистеме усилителя.

Силовой гидроцилиндр двойного действия (то есть умеющий создавать усилие в двух направлениях) в современных легковых автомобилях обычно интегрируется с рулевой рейкой и передает усилие на неё. Золотник устанавливается на рулевой колонке и реагирует на вращательный момент на валу колонки.

Придумано множество способов преобразовать вращательный момент рулевого колеса в работу золотника. Большинство основаны на подвижности отдельного участка вала рулевой колонки. В современных машинах роль подвижного элемента колонки обычно играет торсион — радиально пружинящий участок вала рулевой колонки. Золотник реагирует на угловой сдвиг между концами торсиона при наличии усилия на руле. Существуют конструкции с осевой подвижностью участка вала рулевой колонки: осевое перемещение задается винтовой передачей, преобразующей вращательное усилие руля в поступательное движение штока золотника. В некоторых конструкциях усилие поворота колес регистрируется не на рулевой колонке, а на других узлах передачи усилия от руля к колесу.

Принцип работы гидроусилителя руля автомобиля ЗИЛ-130:

При прямолинейном движении автомобиля золотник за счёт пружин удерживается в нейтральном положении, при этом все каналы золотника открыты.

При повороте — при вращении руля винт вращается и вкручивается в шариковую гайку. При этом он смещается вместе с золотником и подшипниками и смещает плунжеры, сжимая пружины. Как только подшипники упрутся в корпус, винт с золотником перестанет смещаться, а смещаться начнёт шариковая гайка с поршнем и рейкой, при этом как бы накручиваясь на винт. При смещении золотника центральный канал от насоса останется связанным с одним из боковых каналов, а другой боковой канал останется связанным с каналом слива. При смещении поршня усилие будет передаваться от рейки сектору, а от него через вал сошке. Так как центральный канал от масляного насоса связан с одним из боковых каналов, то масло пойдёт из него в одну из полостей гидроцилиндра и будет давить на поршень, помогая смещать его и облегчая усилие, прилагаемое на рулевое колесо.

При прекращении вращения руля винт перестаёт вкручиваться в гайку и минимальное движение поршня передаётся на винт и золотник. Золотник возвращается в нейтральное положение. Все каналы открываются, масло от насоса начинает уходить на слив, и усилитель прекращает свою работу. Кроме того, возвращению золотника в нейтральное положение способствуют пружины, давящие на плунжеры и на подшипники.

При увеличении сопротивления повороту начнёт возрастать давление в линии от насоса через золотник в одну из полостей гидроцилиндра. Эта линия связана с полостью между плунжерами, где находятся пружины. Повышенное давление будет давить на плунжеры, а они — на подшипники. Плунжеры будут стараться вернуть золотник в нейтральное положение. Часть масла начнёт уходить на слив, а водитель почувствует дополнительное сопротивление вращению руля — следящее действие за усилием.

При неработающем двигателе насос не накачивает масло и усилитель не работает. Управление автомобилем может осуществляться. При вращении руля поршень смещается и вытесняет масло из одной полости в другую через обратный клапан, и масло не мешает движению поршня.

Принцип работы системы гидравлического усилителя руля.

При работающем двигателе автомобиля, ременная передача приводит в движение вал насоса гидроусилителя. Насос создает давление в системе и с помощью шлангов высокого давления передает его на распределитель. В зависимости от положения руля: влево, прямо, вправо, блок золотников распределяет рабочую жидкость под давлением в необходимый гидроцилиндр, облегчая водителю поворот. Если движение прямолинейное, то положение золотников обеспечивает простую циркуляцию рабочей жидкости. Если система гидроусилителя вышла из строя, то рулевой вал управляет машиной, используя зубчатую передачу: шестерня – рейка (продольная тяга) или червячную (поворот рулевой сошки).

Гидроусилитель руля, основные правила эксплуатации

Для поддержания системы гидравлического усилителя руля в рабочем состоянии следует выполнять следующие шаги:

• Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации, основные рекомендации которой могут быть разными для разных автомобилей.
• Поддерживать необходимый уровень рабочей жидкости в системе. С периодичностью 1-2 года менять масло и фильтр в бачке.
• Следить за состоянием шлангов и мест их подсоединения – система должна быть герметична.
• Проверять силу натяжения ременного привода.
• Работа гидросистемы в крайних положениях руля недопустима.

Соблюдение правил эксплуатации системы гидроусилителя руля является важным фактором условия безопасного движения.

Современный автомобиль немыслим без системы гидравлического усилителя руля, которая сочетает в себе комфортную и безопасную езду по разным типам дорог и даже бездорожью.

Электрогидравлический усилитель

ЭГУР с электромагнитных клапаномЭГУР с электронасосомСхема работы ЭГУР с электронасосом

На помощь механике и гидравлике, как всегда, пришла электроника. В результате такого симбиоза появился электрогидравлический усилитель. Впервые его применили на автомобилях “Аudi” под названием “Servotronic”. Существует два типа ЭГУРа: с электромагнитным клапаном и с электронасосом. Управляет работой усилителя электронный блок на основании показаний датчиков скорости, поворота руля, оборотов коленвала. Набор датчиков может меняться в зависимости от модели автомобиля.

В первой конструкции в распределитель ГУРа дополнительно встраивается электромагнитный клапан и камера обратного действия с поршнем. При повороте колес на месте или при движении с малой скоростью клапан открыт, давление в системе максимально – руль крутить легко. При наборе скорости клапан, управляемый блоком, пропорционально закрывается. В результате давление в системе уменьшается, а усилие на руле увеличивается. Таким образом, получаем искомое чувство “обратной связи”.

Во второй, более совершенной конструкции, гидронасос заменен электронасосом, т.е. приводится не от коленвала, а отдельным электромотором. Управляет его работой опять же блок управления. На малых скоростях скорость вращения насоса максимальна, а на больших – ограничивается блоком управления. Поэтому чем выше скорость движения – тем “тяжелее” становится руль. Замена гидронасоса электронасосом позволяет снизить расход топлива до 0,2 л на 100 км.

Настраивая программу работы блока управления, можно адаптировать ЭГУР к различным моделям автомобилей. Более подробно о конструкции и принципе действия электрогидравлического усилителя можно прочитать здесь (формат PDF).

Устройство гидроусилителя руля

Кратко говоря, ГУР – это устройство, в основе которого является насос. Он приводится от коленвала ремнем, втягивает масло из бачка и подает под большим давлением в распределитель. 

Распределитель следит за усилием на руле и, дозировано, способствует повороту управляемых колес. С этой целью, в устройстве гидроусилителя руля, используется следящий механизм, зачастую это торсион, который встроен в разрез рулевого вала.
Пока машина стоит либо едет прямо, на рулевой вал не действуют никакие усилия, торсион не закручен, закрываются каналы дозировки распределителя, масло сливается в бачок.

Режимы работы

Теперь по поводу режимов работы. Дело в том, что при разных условиях движения необходимо создание конкретного усилия. Также некоторые из режимов направлены на повышение комфортабельности.

Основными из режимов работы ЭУР можно отметить:

• Парковка;
• Движение на высокой скорости;
• Подруливание;
• Возврат колес в среднее положение.

Парковка автомобиля отличается надобностью поворота колес на большие углы, при этом с минимальной скоростью движения, а то и вовсе стоя на месте. Поэтому усилие на руле при парковке – значительное. Чтобы компенсировать ЭУР начинает работать в условиях создания максимального усилия.

А вот при движении на высокой скорости для обеспечения хорошей информативности, чтобы водитель не потерял чувства дороги, при маневрах ЭУР практически не задействуется или же создает малые усилия.

Интересным является режим подруливания. Условия движения авто могут быть самыми разными – дорога со скосом в одну сторону, воздействие сторонних факторов (боковой ветер, разное давление в колесах). Все они приводят к тому, что авто «уводит» в какую-либо из сторон. Режим же подруливания обеспечивает прямолинейное движение авто, причем делает ЭУР это без какого-либо участия со стороны водителя.

Существует и режим возврата колес в среднее положение, когда снижается усилие на рулевом колесе. Это происходит при завершении поворота, когда водитель «отпускает руль», блок управления по средствам датчиков рассчитывает необходимый момент и возвращает колеса в среднее положение за счет электроусилителя.

Описанные режимы работы в ЭУР включаются автоматически (благодаря информации от дополнительных датчиков). Но этот усилитель также позволяет водителю устанавливать свои определенные режимы – «Спорт», «Норма», «Комфорт».

Разница между режимами сводится к изменению реакции ЭУР на условия движения. К примеру, в режиме «Спорт» обеспечивается большая информативность (руль более «тяжелый»), а при «Комфорте» создает больше усилия, обеспечивая удобство управления авто. «Норма» же является средним положением, при котором, на малых скоростях ЭУР работает по максимуму, а на высоких – создает минимальное усилие.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ В ГОРОДСКОМ РЕЖИМЕ

Когда водитель большую часть времени ездит в городе, будет удобнее, если после поворота руль самостоятельно будет возвращаться в прямое положение. Так называемый активный возврат колес значительно упрощает вождение при интенсивном маневрировании. Если же предстоит длительное движение по прямой, то здесь поможет функция стабилизации. Она может автоматически поддерживать колеса в прямом положении – это актуально при неправильном развале-схождении колес или боковом ветре.

Нередко в электрических усилителях, специально созданных для переднеприводных автомобилей, предусмотрена программа, которая компенсирует увод машины, если были установлены приводные валы разной длины. В современных машинах электрика вовсе работает независимо от водителя – сама подруливает и возвращает колеса, помогает правильно парковаться.

ГУР: от грузовой техники до легковушек

Гидравлический усилитель рулевого управления (ГУР) – это узел, спрятанный в недрах наших автомобилей, который создаёт дополнительные усилия для поворота колёс, тем самым помогая нам рулить без напряжения мускул.

Несмотря на то, что использование этих устройств на легковых машинах началось примерно с конца 50-х годов прошлого столетия, они ещё долгие десятилетия считались чем-то экзотическим.

Тем не менее, история ГУР уходит корнями даже не в 50-е, всё началось гораздо раньше. Так, первый патент на устройство, напоминающее нынешний гидроусилитель руля был получен аж в 1902 году.

Последующие годы, ознаменованные бурным развитием автопрома, определили нишу, где гидроусилитель чувствовали себя лучше всего и считались наиболее полезными – это грузовая техника.

Устройство гидроусилителя руля

Основные компоненты гидроусилителя руля

Гидроусилитель руля устанавливается на рулевой механизм любого типа. Для легковых автомобилей наибольшее распространение получил реечный механизм. В этом случае схема ГУР следующая:

• бачок для рабочей жидкости;
• масляный насос;
• золотниковый распределитель;
• гидроцилиндр;
• соединительные шланги.

Бачок ГУР

Бачок гидроусилителя

В бачке или резервуаре для рабочей жидкости установлен фильтрующий элемент и щуп для контроля за уровнем масла. С помощью масла смазываются трущиеся пары механизмов и передается усилие от насоса к гидроцилиндру. Фильтром от грязи и металлической стружки, возникающей в процессе эксплуатации, в бачке служит сетка.

Уровень жидкости внутри бака можно проверить визуально в случае, когда резервуар сделан из полупрозрачного пластика. Если пластик непрозрачный или используется металлический бачок, уровень жидкости проверяется с помощью щупа.

В некоторых автомобилях уровень жидкости можно проверить только после кратковременной работы двигателя либо при вращении рулевого колеса несколько раз в разные стороны во время работы машины на холостом ходу.

На щупах или резервуарах сделаны специальные насечки, как для «холодного» двигателя, так и для «горячего», уже работающего в течение какого-то времени. Также необходимый уровень жидкости можно определить и с помощью отметок «Max» и «Min».

Насос гидроусилителя

Лопастной насос гидроусилителя

Насос гидроусилителя необходим для того, чтобы в системе поддерживалось нужное давление, а также происходила циркуляция масла. Насос устанавливается на блоке цилиндров двигателя и приводится в действие от шкива коленчатого вала при помощи приводного ремня.

Конструктивно насос может быть разных типов. Наиболее распространенными являются лопастные насосы, которые характеризуются высоким КПД и износоустойчивостью. Устройство выполнено в металлическом корпусе с вращающимся внутри него ротором с лопастями.

В процессе вращения лопасти захватывают рабочую жидкость и под давлением подают ее в распределитель и далее в гидроцилиндр.

Привод насоса осуществляется от шкива коленчатого вала, поэтому его производительность и давление зависят от количества оборотов двигателя. Для поддержания необходимого давления в ГУР используется специальный клапан. Давление, которое создает насос в системе, может достигать до 100-150 бар.

В зависимости от типа управления масляные насосы подразделяются на регулируемые и нерегулируемые:

• регулируемые насосы поддерживают постоянное давление за счет изменения производительной части насоса;
• постоянное давление в нерегулируемых насосах поддерживает редукционный клапан.

Редукционный клапан представляет собой пневматический или гидравлический дроссель, действующий автоматически и контролирующий уровень давления масла.

Распределитель ГУР

Схематичное устройство распределителя

Распределитель гидроусилителя устанавливается на рулевом валу или на элементах рулевого привода. Его назначение – направление потоков рабочей жидкости в соответствующую полость гидроцилиндра или обратно в бачок.

Главными элементами распределителя являются торсион, поворотный золотник и вал распределителя. Торсион представляет собой тонкий пружинистый металлический стержень, который закручивается под действием крутящего момента. Золотник и вал распределителя представляют собой две цилиндрические детали с каналами для жидкости, вставленные друг в друга. Золотник связан с шестерней рулевого механизма, а вал распределителя с карданным валом рулевой колонки, то есть с рулем. Торсион одним концом закреплен на валу распределителя, другой его конец установлен в поворотный золотник.

Распределитель может быть осевым, при котором золотник перемещается поступательно, и роторным – здесь золотник вращается.

Гидроцилиндр и соединительные шланги

Гидроцилиндр встроен в рейку и состоит из поршня и штока, перемещающего рейку под действием давления жидкости.

Схема циркуляции жидкости в гидроусилителе

Соединительные шланги высокого давления обеспечивают циркуляцию масла между распределителем, гидроцилиндром и насосом.  Масло из бачка в насос и из распределителя обратно в бачок поступает по шлангам низкого давления.

История возникновения

Имя изобретателя гидравлического усилителя руля точно не известно. Первые упоминания о подобной системе датируются 1876 годом, когда некий  Фитц (Fitts), применил его на своем паровом автомобиле: слишком тяжелая машина плохо слушалась руля. Запатентовал гидроусилитель руля американец Роберт Твайфорд в 1900 году, в 1903 году его применили на серийном грузовике. В первой половине ХХ века гидроусилитель руля применялся редко и только на тяжелых машинах: грузовиках и бронеавтомобилях в виду своей дороговизны. Только в 50-е годы гидроусилитель руля стал массово применяться в серийных легковых автомобилях.

Преимущества применения гидроусилителя руля:

• уменьшает усилия необходимые для поворота рулевого колеса;
• обеспечивает необходимую траекторию поворота без изменений;
• улучшает маневренность автомобиля;
• полная обратная связь – водитель «чувствует» дорогу;
• смягчает отдачу от ударов, вызванных наездом колес на неровности и выбоины на дороге;
• меняет «чувствительность» руля в зависимости от скорости движения;
• повышает безопасность движения в случае разрыва шин передних колес (блокирует самопроизвольный поворот);
• при отказе системы остается возможность управлять автомобилем.

Недостатки:

• высокая стоимость, бюджетные автомобили так и не получили гидравлический усилитель на руль;
• дополнительные затраты мощности двигателя для вращения вала насоса.

Существует два основных типа гидравлических усилителя руля: совмещенный с рулевым механизмом и с продольной тягой.

Устройство и основные компоненты гидравлического усилителя руля, совмещенного с продольной тягой рис.1:

Насос (1) – агрегат, обеспечивающий необходимое давление, а также циркуляцию рабочей жидкости в гидросистеме.

Наиболее массово используется конструкция роторного гидронасоса – рис.2, благодаря его надежности и высокой производительности.

Рис.3 – варианты конструктивного исполнения насосов автомобильных гидросистем различных производителей.

Для оптимального размещения составляющих гидроусилителя руля насос (1) часто объединяют с бачком (4) в один компактный агрегат – рис.4:

Насос приводится в действие коленвалом двигателя с помощью ременной передачи.

Корпус рулевой рейки (2) на рис.1. Представляет собой агрегат, заключающий в себе рулевую рейку с гидроцилиндрами и распределитель.

Распределитель, узел (3) на рис.1. Предназначен для направления рабочей жидкости под давлением в рабочий цилиндр и ее отток обратно в бачок, в зависимости от положения руля. Главный подвижный элемент распределителя – золотник бывает двух типов:

• осевой – перемещается поступательно;
• роторный – вращается;

Бачок (4) для масла – представляет собой емкость для рабочей жидкости.

Внутри фильтр для масла, а в пробке датчик уровня жидкости – щуп:

Соединительные шланги (5). Обеспечивают необходимую циркуляцию рабочей жидкости в системе гидроусилителя руля. Шланги высокого давления соединяют насос с распределителем и передают давление в гидроцилиндры. По шлангу низкого давления жидкость возвращается обратно в бачек, а из бачка – к насосу. Рис.8 – шланги гидроусилителя руля и фитинги для подсоединения.

Рабочая жидкость гидроусилителя руля обеспечивает функционирование системы – передает давление от насоса к рабочим цилиндрам, смазывает трущиеся детали  механизмов. Представляет собой индустриальное (машинное) масло с модификаторами, подобная смесь стала отдельным продуктом – жидкостью для гидроусилителей или автоматических трансмиссий.

Какое масло лить и когда?

Как понятно из принципа работы, жидкость выполняет в системе ГУР главную роль. А это значит, она постепенно деградирует (теряет свойства) и требует замены.

Помимо основной работы, гидравлическая жидкость выполняет еще несколько важных функций:

• Смазывает все элементы гидравлической системы;
• Уменьшает трение (а значит, и износ) между движущимися деталями;
• Защищает металлические детали от коррозии;
• Охлаждает систему ГУР, которая греется во время работы;
• Продлевает срок службы резиновых уплотнителей, не дает им «задубеть» и растрескаться.

Когда присадки и активные компоненты жидкости срабатываются, начинаются проблемы: окисление масла, коррозия деталей, протечки.

Для гидроусилителя есть четыре типа масел:

1. Универсальная жидкость ATF, которая применяется и в АКПП, и в ГУР;
2. Специализированное масло только для гидроусилителя, маркируется PSF;
3. Жидкости для ГУР, одобренные большинством крупных автопроизводителей, универсальные, обозначаются Multi HF;
4. Dexron – бренд трансмиссионных жидкостей, принадлежащий концерну GM.

При выборе масла необходимо ориентироваться на рекомендации автопроизводителя, указание из сервисной книжки всегда будет выбором №1. Если нет возможности использовать то, что советует инструкция, масло подбирают по техническим характеристикам.

Базовая основа. Как и моторное масло, жидкость ATF (PSF) может делаться на минеральной, полусинтетической или синтетической основе. Выбирать нужно тот тип основы, который рекомендован для данной модели автомобиля, нельзя лить синтетику туда, где должно быть минеральное масло. Причина – возможное несоответствие химического состава жидкости и, например, металла отдельных элементов системы или резиновых уплотнителей, из-под которых синтетическое масло будет подтекать.

Цвет. Жидкости ATF для ГУР бывают красными, желтыми и зелеными. Причем в каждом цвете могут выпускаться и минеральные, и синтетические масла. Цветовая градация больше ориентирована на маркетинговые приемы, чтобы разделить продукцию разных производителей:

• Красные жидкости – как правило, это продукция Dexron концерна GM, однако можно встретить красные трансмиссионные масла других производителей, в том числе крупных брендов Motul, Shell, ZIC и т.д.;
• Желтые масла – продукция концерна Daimler специально для автомобилей Mercedes. Они тоже бывают и минеральные, и синтетические, в зависимости от того, в какой именно автомобиль должны заливаться;
• Зеленые – масла «широкого профиля», достаточно универсальные. Однако и они делаются на разных типах базовой основы. Применяются в автомобилях концерна BNW, VAG, Bentley, Ford, Peugeot/Citroen, а также в трансмиссиях ZF.

При выборе масла ориентируются в основном на производителя, состав базы, цвет, маркировку.

Периодичность замены жидкости в ГУР

Это больной вопрос многих автомобилей – святая уверенность их владельцев в том, что все жидкости, кроме моторного масла, залиты «навсегда» и не требуют замены. Ну, антифриз еще меняют, а если на СТО мастер хорошенько припугнет, то и проверяют уровень масла в трансмиссии. Но ГУР остается с тем, что залито с завода.

И это неправильная политика для того, кто собирается ездить на своей машине долго и счастливо.
Поскольку присадки, как мы уже говорили, деградируют от нагрева и трения, гидравлическая жидкость постепенно теряет свои качества.

Как проверить, что пора менять масло? Достаточно заглянуть в расширительный бачок: вынуть фильтр и убедиться, что количество налета и осадка на нём не оставляет надежд на долгую жизнь гидравлической жидкости. Грязь и осадок – результат выработки активных компонентов, после чего масло значительно хуже защищает систему от износа и коррозии.

Меняют масло и когда появляются первые признаки неисправности в гидроусилителе. Тяжелый ход руля, шум насоса во время работы – признаки того, что жидкости недостаточно и появились воздушные пробки, а значит, пора ее менять или доливать.

Как доливать масло в ГУР?

Тут вопрос не в последовательности действий, а в принципе выбора масла. При доливе нужно руководствоваться таким принципом:

1. Нельзя смешивать разные базовые основы. К минералке доливаем минералку, к синтетике синтетику. С разными базами идут и разные присадки, и при неправильном доливе получается адская смесь, компоненты которой вступают в реакцию друг с другом;
2. Лучше всего доливать цвет в цвет;
3. Смешивать жидкости разного цвета можно, но только желтые с красными, и только с учетом основы.
4. Зеленые масла не смешивают с другими, их компоненты несовместимы.

А алгоритм замены или доливки масла ГУР пошагово, показан на коротком видео ниже.