Устройство и принцип работы рулевой колонки с электроусилителем

Сегодня рулевой механизм автомобиля невозможно представить без усилителя. И касается это не только мощных внедорожников или седанов бизнес-класса. Сейчас даже водители компактных малолитражек начали ценить комфорт управления. Однако под капотом таких машин нечасто есть много места для установки рулевой рейки с гидравлическим или даже электрическим усилителем. Но это не беда - расположить помощника водителю можно даже в рулевой колонке. Какие плюсы имеет такая схема и как она реализована, рассмотрим на примере популярного автомобиля Volkswagen Lupo 1.2 TDI 3L 1999-2005 годов выпуска.

Функции и преимущества электрической рулевой колонки

Сразу заметим, что электрическую рулевую колонку нельзя рассматривать лишь как компромиссный вариант усиления руля. Такая схема помимо прочего имеет свои существенные преимущества, а именно:

• контролирует входные и выходные сигналы, а также работу компонентов других узлов рулевого механизма;
• четче передает водителю ощущение контакта с дорогой;
• помогает выравнивать руль в прямом положении;
• усиливает рулевое управление в зависимости от фактических условий движения;
• работает только тогда, когда водитель вращает руль, не потребляя энергию на прямых участках.

Последний фактор способствует тому, что такая электромеханическая система сильно отличается по параметрам от традиционной гидравлической. Согласно исследованиям специалистов компании Volkswagen, на примере модели Lupo отличия выглядят следующим образом

Не в последнюю очередь такое происходит потому, что в гидравлическом усилителе руля все компоненты его системы установлены уже после рулевого карданного вала, а в электромеханическом усиление осуществляется перед этим валом.

Еще один значительный плюс - усилитель руля в колонке размещен в одном компактном блоке, поэтому ему нет необходимости в длинной сложной электропроводке. Ну и наконец самое, пожалуй, ценное для водителей - благодаря тому, что электродвигатель, усиливающий вращение, приводит в действие червячную передачу прямо возле руля, водитель имеет непосредственное его ощущение руля, то есть такую же самую обратную связь с дорогой, как и в случае отсутствия усилителя.

Устройство рулевой колонки с электроусилителем

Основными компонентами верхней части рулевого механизма при такой схеме являются изображенные на рисунке

• контролирует входные и выходные сигналы, а также работу компонентов других узлов рулевого механизма;
• четче передает водителю ощущение контакта с дорогой;
• помогает выравнивать руль в прямом положении;
• усиливает рулевое управление в зависимости от фактических условий движения;
• работает только тогда, когда водитель вращает руль, не потребляя энергию на прямых участках.

Кроме того, внутри установлены очень важные для работы системы датчики: положения руля и рулевого момента.

А вот так электрическая рулевая колонка выглядит в разрезе всей передней части автомобиля:

Теперь подробнее остановимся на составляющих именно рулевой колонки, которая оборудована электроусилителем руля. Их можно разделить на две группы:

1. Электрические.
2. Механические.

К первой группе относятся электронные компоненты узла:

• электродвигатель и его муфта;
• блок управления электроусилителем;
• датчики рулевого момента и положения руля в общем корпусе.

Вторая группа используется во всех, не только электромеханических, колонках. Это:

• валы: рулевой и карданный;
• корпус рулевой колонки, который регулируется по высоте;
• червячный привод с червяком и шестерней;
• промежуточный шпиндель;
• торсионная тяга (штанга).

Эта тяга является центральной составной частью рулевой колонки с электроусилением. Торсионная штанга механически соединяет промежуточный шпиндель с червячным приводным валом. Благодаря этому обе детали могут вращаться противоположно на небольшой угол. Его достаточно для того, чтобы система распознала начало рулевого управления.

Карданный вал состоит из двух вилок, которые соединены с коротким телескопическим рычагом. Он позволяет компенсировать длину механизма регулировки высоты и обеспечивает защиту водителя и пассажиров в случае лобового столкновения. Если во время регулировки водитель поднимает рычаг вверх, он становится короче, что уменьшает расстояние между рулем и рулевым механизмом. Если наоборот - телескопический рычаг удлиняется. Диапазон регулировки у Volkswagen Lupo - 39 мм.

Червячная передача находится в алюминиевом корпусе редуктора вместе с электромотором. Червяк на валу мотора входит в зацепление с шестерней на рулевом валу, что позволяет усиливать вращение руля непосредственно почти там, где это делает и водитель. Вал двигателя соединен с валом червяка с помощью гибкой резиновой муфты, чтобы пусковой момент двигателя передавался максимально мягко. Электродвигатель имеет мощность 720 Вт и развивает крутящий момент 2 Нм. Электроника рассчитана так, чтобы он имел чрезвычайно короткое время отклика, что бы как можно быстрее реагировать на движения руля.

Над шестерней установлен корпус датчиков положения руля и угла поворота. Первый со'еден с валом червячного редуктора. Он регистрирует текущее положение руля или его блокировку. Второй соединен с торсионной балкой. Он вычисляет угол поворота торсионной штанги по отношению к промежуточному шпинделю. На основе этого сигнала блок управления вычисляет крутящий момент на основе этого сигнала. Если рассчитанный крутящий момент превышает значение 0,01 Нм, блок управления принимает решение о необходимости усиления рулевого управления. <Также к корпусу червячного привода прикреплена болтами рама, в которой установлен электронный блок управления усилителем руля. Он рассчитывает необходимую помощь водителю на основе данных, полученных от датчиков, и с учетом скорости движения автомобиля. Корпус датчиков подсоединен к блоку управления проводами с помощью 6-контактного разъема. Если блок управления обнаруживает неисправность в системе гидроусилителя руля, он включает сигнальную лампу в виде руля на панели приборов.

Как происходит усиление рулевого управления электромеханического типа

Водитель начинает поворачивать руль. Одновременно вращается торсионная штанга. Датчик момента, вращающийся вместе с торсионной штангой, подает в блок управления сигналы, которые указывают на величину и направление вращения крутящего момента руля. Блок на основе этих сигналов вычисляет необходимую помощь и активирует электродвигатель. Совокупность крутящего момента действующего на руль, и крутящего момента помощи составляет эффективный крутящий момент, действующий на рулевую передачу.

Если водитель увеличивает крутящий момент, приложенный к рулю, электродвигатель увеличивает крутящий момент. Если уменьшает - кручение торсионной штанги уменьшается. Как следствие, датчик крутящего момента руля подает меньший сигнал на блок управления. <Когда водитель отпускает руль во время при прохождении поворота, напряжение на торсионной балке снимается. Одновременно электроника деактивирует электродвигатель, так как помощь крутящего момента больше не нужна. Но, если при этом датчик положения руля регистрирует, что транспортное средство все еще движется не прямо, то тогда электродвигатель активируется таким образом, чтобы рулевое колесо активно возвращалось в прямое положение.

Ремонт рулевой колонки с электроусилителем руля

Хотя описанная конструкция является достаточно надежной, время и активная эксплуатация часто приводят к неисправностям. Детали, которые чаще всего выходят из строя:

пластмассовые кольца датчиков;

сами датчики;

крестовины карданных валов.

Несмотря на то, что электрическая рулевая колонка менее уязвима, чем другие типы усилителя руля, поскольку находится внутри салона, она тоже может страдать от коррозии. Окисляются контакты датчиков и блока управления и даже шлицевые соединения механических деталей.