Устройство и принцип работы электроусилителя руля

Главным преимуществом электрического привода рулевого управления относительно гидроусилителя является отсутствие гидравлики, а значит насоса гидроцилиндра, шлангов. Это позволяет уменьшить массу усилителя рулевого управления и объем занимаемый управлением в подкапотном пространстве.

Известно, что ряд факторов приводит к уводу автомобиля от прямолинейного движения, например разное давление воздуха в шинах, разная степень износа протектора, боковой ветер, поперечный уклон дороги. Применение электромеханического усилителя позволяет активно поддерживать возврат управляемых колес в среднее положение. Эта функция называется «активной самоустановкой» колес. Благодаря ее действию водитель лучше чувствует среднее положение рулевого управления, она облегчает также вождение автомобиля по прямой при воздействии на него различных внешних сил.

Если при движении по прямой на автомобиль действует боковой ветер или поперечное усилие, вызываемое уклоном дорожного полотна, усилитель создает постоянный поддерживающий момент, который освобождает водителя от необходимости создавать реактивные усилия на рулевом колесе.

Общее расположение агрегатов рулевого управления с электроусилителем на примере автомобиля Opel Corsa показано на рисунке:

Рис. Общее расположение агрегатов рулевого управления с электроусилителем: 1 – электроусилитель; 2 – карданный вал рулевого управления; 3 – рейка привода рулевого управления

Электроусилитель может приводить вал рулевого управления на рулевой колонке, шестерню привода рейки или непосредственно саму рейку.

Рис. Электроусилитель рулевого управления на примере автомобиля Opel Corsa: 1 – электродвигатель; 2 – червяк; 3 – червячное колесо; 4 – скользящая муфта; 5 – потенциометр; 6 – кожух; 7 – рулевой вал; 8 – разъем датчика момента на рулевом валу ; 9 — разъем питания электродвигателя

Разрез электроусилителя рулевого управления с приводом рулевого управления на рулевой колонке показан на рисунке:

Рис. Разрез электроусилителя рулевого управления: 1 – трехфазный синхронный электродвигатель; 2 – якорь; 3 – обмотка статора; 4 – датчик положения якоря; 5 – червячное колесо; 6 – рулевой вал; 7 – червяк

Электроусилитель через червячную передачу связан с валом рулевого управления. В зависимости от полярности напряжения питания электродвигатель вращается в ту или иную сторону, помогая водителю поворачивать колеса. Крутящий момент величиной силы тока, определяемой блоком управления действующим согласно заложенной в него программе и сигналам, поступающим от соответствующих датчиков.

Вал электродвигателя, при подаче на двигатель напряжения помогает поворачивать вал привода рулевого колеса через червяк и червячное колесо. Для поддержания постоянной обратной связи с дорогой входной и выходной валы электроусилителя соединены друг с другом через торсион. Приложение усилия к рулевому управлению как со стороны водителя, так и со стороны дороги приводит к закручиванию торсиона до 3-х градусов и изменению взаимной ориентации входного и выходного валов. Это служит сигналом для включения в работу электроусилителя. В зависимости от угла поворота рулевого колеса и скорости автомобиля электродвигатель подкручивает выходной вал, снижая усилие. Работает электродвигатель и при обратном ходе, он помогает возвращать колеса автомобиля и рулевое колесо в первоначальное положение. Торсион при поворотах всегда остается немного скрученным, гарантируя тем самым на руле то усилие, которое необходимо водителю, чтобы чувствовать дорогу.

Один из датчиков находится на торсионе, соединяющем половинки разрезанного рулевого вала, и следит за его закручивани­ем. С ростом усилия на руле сильнее за­кручивается торсион – больший ток идет на электромотор усилителя, что соответст­венно увеличивает помощь водителю.

Второй датчик следит за скоростью автомобиля. Чем она меньше, тем эффективнее помощь в повороте рулевого управления и наоборот, а после 75 км/ч усилитель вообще выключается чтобы не создавать дополнительного сопро­тивления, редуктор и электро­мотор разъединяются.

Третий датчик контролирует частоту вращения коленчатого вала двигателя и следит, чтобы усилитель работал только одновременно с ним. Это делается в целях экономии электроэнергии, потому что электроусилитель может потреблять до 105 А.

Производитель автомобилей Ауди предлагают систему реечного электроусилителя с двумя шестернями.

Рис. 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 действует на рейку рулевого механизма через шестерню 3, которая установлена параллельно с основной шестерней рулевого механизма 2. Шестерня усилителя 3 приводится от электродвигателя 4. Передаваемый на шестерню 2 рулевого механизма крутящий момент измеряется датчиком момента 1. Величина развиваемого усилителем крутящего момента устанавливается электронным блоком управления 5 в зависимости от момента на рулевом колесе, скорости автомобиля, угла поворота колес, скорости поворота рулевого вала и других вводимых в него данных.

Электродвигатель и редуктор размещены в общем алюминиевом корпусе 2. На конце вала двигателя нарезан червяк 3.

Рис. Червячная передача привода шестерни усилителя: 1 – электродвигатель; 2 – корпус; 3 – червяк; 4 – вал привода; 5 – демпфер

Червячная передача служит для привода шестерни усилителя. Между червячным колесом и шестерней установлен демпфер 5, который исключает резкое нарастание усилия на рейке при включении усилителя. Положение (угол поворота) ротора электродвигателя определяется с помощью датчика поворота 6. Этот датчик расположен под возвратным и скользящим кольцами подушки безопасности. Он установлен на рулевой колонке между подрулевыми переключателями и рулевым колесом. Датчик генерирует сигнал, соответствующий углу поворота рулевого колеса.

Основными деталями датчика угла поворота рулевого колеса являются кодирующий диск с двумя кольцами и фотоэлектрические пары, каждая из которых содержит источник света и фотоэлемент. На кодирующем диске предусмотрены два кольца: внешнее кольцо 1 с шестью фотоэлектрическими парами, которое служит для определения абсолютных значений угла поворота рулевого колеса, и внутреннее кольцо 2 – для определения приращений этого угла. Кольцо приращений разделено на 5 сегментов по 72°. Оно используется в сочетании с одной фотоэлектрической парой. В пределах каждого из сегментов кольцо имеет несколько вырезов. Чередование вырезов в пределах одного сегмента не изменяется, а в отдельных сегментах оно отличается. Благодаря этому осуществляется кодирование сегментов.

Рис. Схема датчика угла поворота рулевого колеса: 1 – внешнее кольцо абсолютных значений; 2 – внутреннее кольцо приращений; 3 – фотоэлектрическая пара.

Датчик угла поворота рулевого колеса позволяет отсчитывать его в пределах до 1044°. Отсчет угла производится путем суммирования числа градусов. При переходе через метку, соответствующую 360°, датчик регистрирует завершение поворота на один полный оборот. Конструкцией рулевого механизма предусмотрена возможность поворота рулевого колеса на 2,76 оборота.

На рулевом колесе установлен датчик момента 3.

Рис. Датчик момента на рулевом колесе: 1 – рулевой вал; 2 – магнитное кольцо; 3 – чувствительный элемент датчика; 4 – вал шестерня; 5 – витой кабель; 6 – торсион

Действие этого датчика основано на магниторезистивном эффекте. На рулевом вале 1 установлено магнитное кольцо 2, которое жестко связано с верхней частью торсиона 6. Чувствительный элемент 3 датчика соединен с валом шестерни рулевого механизма 4 и связан таким образом с нижней частью торсиона. Сигнал снимается с датчика через витой кабель 5. Торсион закручивается точно в соответствии с усилиями, прилагаемыми к рулевому валу. При этом магнитное кольцо 2 перемещается относительно чувствительного элемента 3 датчика. В результате действия магниторезистивного эффекта изменяется сопротивление чувствительного элемента, величина которого определяется блоком управления.

Если системой управления обнаружен дефект датчика, она производит «мягкое» отключение усилителя. При этом усилитель не отключается полностью, а переводится на режим управления по резервному сигналу, который образуется в блоке управления из сигналов угла поворота рулевого вала и частоты вращения ротора двигателя усилителя.

Электрогидроусилитель руля: принцип работы

Рабочая жидкость наполняет резервуар, после переходит в насос ГУР по соединительному шлангу. При повороте руля блок управления подаёт питание на электродвигатель, который включается и начинает вращать вал насоса ГУРа с частотой, зависящей от скорости автомобиля и усилия приложенного к рулю. Так же питание подаётся на соответствующий электроклапан, в зависимости от направления поворота. Насос создаёт давление жидкости и передает ее через соответствующий клапан в гидроцилиндр. Гидроцилиндр энергией рабочей жидкости образует силу, пропорциональную давлению жидкости, которая движет поршнем и штоком, далее они повернут нужным образом колеса системой рычагов.

ГУРы и ЭУРы: враги или коллеги

Как и «гидрач» (ГУР), ЭУР (электроусилитель) создан для того, чтобы создавать дополнительное усилие на рулевой механизм, тем самым облегчая для водителя процесс управления автомобилем.

О первом типе усилителей уже есть публикация в нашем блоге, напомним лишь, что его главным элементом является гидроцилиндр, на который действует специальная рабочая жидкость, накачиваемая насосом.

Гидроусилители имеют уже достаточно долгую историю, чего не скажешь об электроусилителях, которые появились на арене автопрома сравнительно недавно. Несмотря на это, по мнению экспертов, ЭУРы через пару лет полностью вытеснят из недр легковых машин «гидрачи».

Принцип действия ЭУР

Электрический узел, чья задача – облегчить вращение рулевого колеса, состоит из следующих элементов:

• электродвигатель асинхронного типа;
• механический привод, соединяющий его с рулевым механизмом авто;
• собственный блок управления с датчиками.

В малолитражках, где требуется небольшое усилие для поворота колес, блок ЭУР небольших размеров устанавливается под приборной панелью. В автомобилях среднего класса электроусилитель руля под торпедо уже не поместится, а потому выносится в подкапотное пространство. В обоих случаях привод электродвигателя связан с валом рулевой колонки.

При управлении легковыми автомобилями больших размеров и тяжелыми внедорожниками нужно развивать большее усилие, чтобы поворачивать колеса. Поэтому в них задействован привод ЭУР, работающий напрямую с рулевой рейкой. Независимо от места расположения электродвигателя и его подключения к механизму, принцип работы электроусилителя руля остается неизменным. Он заключается в автоматическом включении электропривода и передаче дополнительного усилия на механизм при повороте водителем рулевого колеса. Величина крутящего момента, создаваемого усилителем, зависит от трех параметров:

• Угла поворота. Он измеряется датчиком, встроенным в рулевую колонку.
• Усилия на руле. Определяется специальным датчиком в виде скручивающегося торсиона, имеющего механическую связь с валом. Чем сильнее скручивается торсион, тем большее усилие развивает двигатель.
• Скорости движения. Эта информация поступает от контроллера, а он ее берет от датчика скорости.

Основываясь на этих показаниях, электронный блок управляет электроприводом в соответствии с ситуацией. При малой скорости движения, сильном скручивании торсиона и большом угле поворота (режим парковки или разворота) агрегат усилителя выдает максимальную мощность. Во время движения по прямой особой помощи водителю не требуется, потому ЭУР подключается минимально.

Отличия от других видов усилителей

Как отмечалось ранее, в отличие от обычного гидроусилителя руля, ЭГУР Servotronic имеет в составе электромотор, приводящий в движение насос (либо другое исполнительное устройство – электромагнитный клапан), а также электронную систему управления. Данные конструктивные отличия позволяют электрогидравлическому усилителю регулировать усилие в зависимости от скорости машины. Этим обеспечивается комфортное и безопасное управление автомобилем на любой скорости.

Отдельно отметим легкость маневрирования на малых скоростях, что недоступно обычному ГУР. На больших скоростях уровень усиления уменьшается, что позволяет водителю управлять автомобилем более точно.

Устройство и принцип работы ЭУР

Как же работает электроусилитель руля с точки зрения безопасности? Устроен электроусилитель рулевого управления гораздо проще, нежели ГУР. У него нет никаких расходных материалов в виде жидкостей. Отсутствуют множество подвижных соединений и уплотнений (критические места для поломки). Именно поэтому сейчас идет массовый отказ от стареньких гидроусилителей. Даже отечественные производители ВАЗ перешли на эту технологию.

Технические характеристики электроусилителя:

• напряжения питания (номинальное) – 12 В;
• максимальный компенсирующий момент – 35 Нм;
• максимальный ток потребления – 50 А;
• ток потребления (усилие на рулевом колесе приложено, выходной вал усилителя заблокирован) – не более 15 А.

Его появление помогло автопроизводителям реализовать ряд новых функций, таких как:

• повышение курсовой устойчивости;
• автоматическая парковка;
• соблюдение рядности движения.

Недостатки ЭУР

На данный момент пока еще невозможно использовать ЭУР на тяжелых грузовиках, требующих большого усилия при вращении рулевого колеса. Для них гидроусилители руля остаются единственным и надёжным вариантом.

Еще следует отметить боязнь влаги. Вода и конденсат могут вывести из строя предохранители и электродвигатель. К недостаткам можно отнести все ещё высокую стоимость этой системы. В то же время она становится всё более популярной и распространенной.

Преимущества устройства

1. Надежность.
2. Возможность реализации автоматического управления автомобилем.
3. Простота обслуживания и бесшумная работа.
4. Экологическая и технологичность безопасность.
5. Возможность управления транспортным средством в случае выхода системы из строя.
6. Обеспечение легкости и плавности рулевого управления.
7. Обеспечение соответствия между углами поворота управляемых колес и руля.
8. Обеспечение пропорциональности между силами сопротивления повороту колес и усилием на рулевом колесе.

Электрогидроусилитель руля рабочие параметры насоса:

Допустимый зазор между составляющими частями — 0,005-0,001 мм. Отклонение от допустимого значения влечет за собой падение давления жидкости на холостом ходу и как следствие ощущение тугого руля и визг на поворотах. В зависимости от автомобиля рабочее давление — 150 Бар При эксплуатации ЭГУ руля возможны неисправности, при которых его эксплуатация невозможна. При включении зажигания блок управления производит тестирование электрической части. Если при этом обнаруживается неисправность, то происходит отключение ЭУР. При неисправности же насоса отключение не происходит, а ЭУР может работать частично, так как давление будет недостаточным.

Устройство электроусилителя руля: где искать и как работает

Устройство электроусилителя руля довольно простое, его центровым элементом выступает электродвигатель, как правило, асинхронного типа. В зависимости от того, где установлен моторчик, различают такие схемы этого узла:

• с расположением на валу рулевого колеса;
• с расположением на рейке рулевого механизма.

Первый вариант характерен для небольших автомобилей, например для малолитражек и прочих компактных легковушек. Им и так не нужно большое усилие на руле, поэтому усилитель имеет компактные размеры и может находиться прямо под баранкой в салоне.

С более массивными авто такой фокус не пройдёт, и у них ЭУР приводит в движение рулевую рейку при помощи дополнительной шестерни или шарико-винтового механизма.

Принцип работы электроусилителя основывается на слаженном взаимодействии трёх компонентов:

• входных датчиков;
• электронного блока управления;
• исполнительного устройства.

Для того чтобы ЭУР работал правильно ему нужно знать как и куда поворачивается руль, какая скорость у машины и в каком режиме функционирует двигатель.

Этой информацией блок управления снабжают соответствующие датчики. В зависимости от полученных данных, он выдаёт команду исполнительному устройству коим и является электромотор ЭУР.

Кстати, с появлением электроусилителей у инженеров просто таки открылось второе дыхание. Так, к примеру, эти устройства позволили внедрить системы автоматической парковки, расширить функционал систем курсовой устойчивости, аварийного управления, удержания полосы движения авто и прочие новомодные интеллектуальные технологии.

О дополнительных функциях электроусилителей

Устройство электроусилителя руля задумано таким образом, чтобы при необходимости электродвигатель мог поворачивать колеса автомобиля как одновременно с водителем, так и самостоятельно. Это дает простор для реализации дополнительных функций:

• автоматическое «подруливание» с целью удержания машины на прямой траектории;
• возврат колес в прямое положение после совершения маневра, ЭУР может это делать, когда водитель отпускает баранку после выполнения поворота;
• создание «тяжести» на рулевом колесе при разных режимах движения, чтобы сделать руль информативнее;
• выполнять автоматическую парковку без участия водителя.

В то же время ЭУР не препятствует прямому управлению колесами при заглушенном двигателе или поломке, механическая связь между ними и баранкой сохраняется.

Устройство и основные компоненты

Основные компоненты ЭГУР

ЭГУР Servotronic имеет в своем составе три основных компонента: электронную систему управления, насосный узел и гидравлический узел управления.

Насосный узел электрогидравлического усилителя состоит из бачка для рабочей жидкости, гидравлического насоса и электромотора для него. На этот компонент ставят электронный блок управления (ЭБУ). Отметим, что электрический насос бывает двух типов: шестеренчатый и лопастной. Простотой и надежностью отличается первый тип насоса.

Гидравлический узел управления включает в свой состав силовой цилиндр с поршнем и торсион (стержень, работающий на скручивание) с распределительной гильзой и золотником. Этот компонент интегрирован с рулевым механизмом. Гидравлический узел – это исполнительный механизм усилителя.

Читайте также:  Устройство и принцип работы рулевой рейки

Электронная система управления Servotronic:

• Входные датчики – датчик скорости, датчик крутящего момента на рулевом колесе. Если автомобиль оборудован ESP, то используется датчик угла поворота руля. Система также анализирует данные о частоте вращения коленвала двигателя.
• Электронный блок управления. ЭБУ обрабатывает сигналы от сенсоров, а после их анализа посылает команду исполнительному устройству.
• Исполнительное устройство. В зависимости от вида электрогидравлического усилителя исполнительным устройством может быть электромотор насоса либо электромагнитный клапан в гидравлической системе. Если установлен электродвигатель, то производительность усилителя зависит от мощности мотора. Если же установлен электромагнитный клапан, то производительность системы зависит от размера проходного сечения.

Схемы рулевого управления

Существует 3 схемы установки электроусилителя. В независимости от схемы общая конструкция электромеханического усилителя состоит из электродвигателя, механической передачи, двух датчиков и двух шестерней или параллельного привода.

1. ЭУР устанавливается на рулевую колонку. Это самый компактный вариант, при котором для поворота руля не требуется больших усилий. Сам электромотор и механическая передача помещаются под рулевым колесом. Огромным плюсом является нахождение в салоне, а не под капотом, тут устройство защищено от пыли и грязи, а это в свою очередь продлевает срок службы. Так же в случае выхода из строя устройства, Вам будет легко разобраться в принципе установки и поменять его своими руками, что сэкономит деньги. Данный вид крепления усилителя используют преимущественно на малом классе авто.
2. Установка на рулевую рейку. Так устанавливают усилитель преимущественно на микроавтобусы и внедорожники. Здесь требуется уже больше усилия, которое передается через шестерню. Ведь чем больше автомобиль, тем больше он весит и тем большее усилие нужно для поворота.
3. Устанавка на шариковинтовой механизм, где через ременную передачу усилие от электродвигателя передается на рейку. Данный способ обеспечивает наибольшее усилие электродвигателя при повороте. Так устанавливают электроусилитель руля на тягачи и автобусы.

Какой бы не был механизм установки электроусилителя руля, бывают сбои в блоке управление, при выходе из строя, он не блокирует поворот руля. И автомобиль можно спокойно отогнать в сервис, где его поменяют или отрегулируют.

Основные режимы

Электроусилитель руля имеет два основных режима. Они характеризуются скоростью движения автомобиля. В первом режиме при движении на малой скорости, например, во время парковки, когда необходима большая маневренность и руль приходится выворачивать до крайних положений то влево, то вправо, ЭУР прикладывает максимальное усилие к рулевому механизму, обеспечивая «легких руль». В этом режиме вращать рулевое колесо можно одним пальцем.

Напротив, при движении на больших скоростях руль становится «жестким», создавая эффект возврата колес в среднее положение. Это сделано в целях повышения безопасности движения.

Также есть режимы удержания автомобиля на дороге при сильном боковом ветре, при движении на колесах, имеющую разную степень накачки. Эти режимы достигаются благодаря специальным настройкам блока управления. На автомобилях бизнес и премиум класса наличие ЭУР позволяет реализовать опцию автоматической парковки.

Неисправность EPS

Пиктограмма неисправности EPS

Если на панели приборов загорелась контрольная лампа (значок, на котором находится руль с восклицательным знаком), то это говорит о неисправности EPS. Появление ошибки говорит о том, что электроусилитель не проходит самодиагностику при включении зажигания. Причиной неисправности могут быть множество факторов, например выход из строя какого-нибудь из датчиков, входящих в систему управления EPS. Хотя управлять автомобилем можно и без электроусилителя, но делать этого не стоит. Лучше обратится к специалистам.