Из чего состоит и как работает гидравлический усилитель руля (ГУР)

Задачу снижения усилия на органах управления автомобилем, важнейший из которых – руль, можно решать различными способами. Существуют классические способы по каждой из систем, для рулевого управления таковым можно считать гидроусилитель. Устройство не самое совершенное, но проверенное, отработанное десятилетиями и во многом до сих пор не превзойдено. Пройдёт ещё немало времени, прежде чем электрические сервоприводы и гибридные системы полностью вытеснят чистую гидравлику.

Зачем нужен гидроусилитель

ГУР встраивается в общую структуру рулевого управления на уровне её неотъемлемой, но функционально законченной составной части. Автомобиль не останется без управления при отказе гидравлики, но сильно потеряет в эффективности действий водителя. Рулевое управление будет лишено всех преимуществ усиления:

• комфорт в управлении автомобилем;
• быстрая связь с управляемыми колёсами, в том числе и при вращении от упора до упора;
• плавность корректировок при любом угле поворота;
• демпфирование обратных ударов от колёс на руль;
• повышенная безопасность вождения.

Степень интеграции усилителя в систему такова, что при отказе ГУР дальнейшая эксплуатация автомобиля законодательно запрещена по соображениям безопасности, хотя и технически возможна.

Как устроен современный ГУР

Типовой набор гидроусилителя содержит:

• насос, создающий рабочее давление в гидросистеме усиления;
• золотниковое устройство распределения, подающее давление на поршень гидроцилиндра;
• исполнительный цилиндр с поршнем;
• шланги высокого и низкого давления;
• бачок с запасом рабочей жидкости;
• специальное масло для гидроусилителей руля.

ГУР применяются с рулевыми редукторами различного типа, как червячными, так и реечными. Обычно его исполнительные узлы объединены с корпусом рулевого механизма, к нему же подходят шланг высокого давления и отводящая обратная магистраль.

Работа устройства в целом и отдельных его узлов

Общий принцип действия заключается в отборе мощности от двигателя, преобразования её в работу за счёт создания значительного давления на поршень и его перемещения согласно с направлением, заданным водителем. Отсюда и назначение отдельных составных частей.

Гидравлический насос

Работа всех деталей насоса происходит в среде высококачественного специализированного масла с известными характеристиками. Поэтому обычно используется принцип организации с пластинчатым ротором. Высокая долговечность обеспечивается хорошими смазывающими свойствами рабочей жидкости.

Ротор насоса приводится во вращение ременным приводом от шкива коленвала. Передаточное число привода определяется отношением диаметров ведущего и ведомого шкивов и определено конструктивно для нормальной работы во всём диапазоне оборотов двигателя. Обычно это один из ремней с передней части мотора, или общий единый ремень привода всех вспомогательных агрегатов с натяжными и обводными роликами.

В пазах ротора расположены свободно посаженные пластины, которые при вращении повторяют форму эллипсного статора, перемещая жидкость с изменением объёма полостей между пластинами. Масло несжимаемо, поэтому выдавливается в направлении выходного патрубка. Давление ограничивается сочетанием расхода через рабочий цилиндр и редукционный клапан, предохраняющий узел от перегрузок. Иногда используется обратная связь через датчик давления.

Накопительный бачок

Резерв жидкости хранится в бачке, размещённом в верхней части системы усиления для создания естественного напора жидкости во входную часть насоса. Сюда же выводится обратная магистраль слива масла после насоса и исполнительного цилиндра. Наличие такого прозрачного накопителя позволяет следить за уровнем жидкости, для чего там имеются соответствующие метки. Если бачок непрозрачен, то он снабжается щупом или внутренними метками. Для отсеивания возможных загрязнений при доливе жидкости в бачке установлена мелкая сетка.

Клапан-распределитель

С точки зрения работы автоматики управления гидросистемой клапан-распределитель является важным центральным узлом всей системы. Именно он определяет направление и величину усилия, добавленного к воздействию рук водителя на рулевое колесо. Его точная работа гарантирует как степень усиления и лёгкость вращения руля, так и не менее важные характеристики обратной связи:

• возвращающее усилие руля в нейтральное положение;
• сигнализация водителю о скольжении управляемых колёс в повороте по снижению сопротивления на руле;
• демпфирование колебаний и снижение силы ударов от дорожных неровностей через обод руля на руки водителя.

Клапан работает в паре с торсионом рулевой колонки. Последний представляет собой относительно гибкий на скручивание металлический стержень, к концам которого подсоединены два золотника клапана. Они могут смещаться друг относительно друга по дуге окружности или в продольном направлении через механизм превращения вращательного движения в поступательное. Это чисто конструктивные отличия, на принцип работы не влияющие.

При повороте руля реакция со стороны колёс создаёт встречное усилие. К торсиону прикладывается скручивающий момент, который создаёт взаимное угловое смещение концов стержня. Клапан, который в отсутствие подобного смещения свободно возвращал жидкость в обратную магистраль, не создавая дополнительного давления на одну из сторон поршня гидроцилиндра, начинает ограничивать его с одной стороны и добавлять с другой. На поршень действует сила, с которой он давит на рейку или сошку с нужной стороны, точно с той, куда и приложено усилие от рулевой колонки. Нужная для поворота колёс сила от водителя будет уменьшена, руль станет легче крутить. Чем больше закручен торсион, тем помощь больше.

Подводящие и отводящие шланги

Магистрали, по которым циркулирует жидкость, выполнены в виде многослойных армированных шлангов высокого давления в напорной части и низкого в обратке. Соответственно и уплотнения шлангов на патрубках узлов разное, если обычный закреплён винтовым или пружинным хомутом, давление тут небольшое, то нагнетающий может испытывать его величину до сотни атмосфер. Наконечники выполнены аналогичным тормозным шлангам способом, массивными металлическими штуцерами со сквозным полым крепёжным болтом и двумя прокладками из мягкого металла. Упрощать подобные соединения нельзя, шланг сорвёт, и жидкость будет мгновенно выбита из системы.

Используемая жидкость

Часто ремонтники пытаются применять аналогичную по вязкости жидкость для автоматических коробок передач. Делать это нежелательно, если нет прямых указаний от изготовителя. Дело в том, что требования к маслу, во многом идентичные, всё же различаются. Масла типа ATF, используемые в классических гидроавтоматах, имеют ограничения по работе в системе фрикционов, где снижать трение чрезмерно недопустимо, муфты не смогут полностью замыкаться при разумных давлениях. Ничего подобного в насосах ГУР не требуется, более того, подобные свойства можно считать вредными и снижающими ресурс. Поэтому разумно будет применять именно специализированные жидкости для ГУР типа PSF, Power Steering Fluid.

Примеры работы ГУР в различных ситуациях

Если автомобиль не движется, а руль не вращается, то жидкость циркулирует по системе беспрепятственно, давления на поршень с обеих сторон равны и минимальны, колёса не поворачиваются, а мощность от двигателя потребляется в незначительном количестве.

При повороте руля срабатывает золотниковый клапан-распределитель, как описано выше. Давление перебрасывается на одну из сторон рабочего поршня, происходит усиление действий водителя на расчётную величину. У разных автомобилей это может быть очень комфортный режим, когда руль крутится «одним пальцем», или спортивный, с ощутимым сопротивлением. Но это всегда легче, чем при отсутствии ГУР, несмотря на обычно пониженное передаточное число привода у машин с усилителем. Даже на одном и том же автомобиле, имеющем варианты исполнения с усилителем или без, используются разные рулевые механизмы по количеству оборотов руля от упора до упора. Разумеется, здесь меньшее количество оборотов упрощает маневрирование на малой скорости и обостряет реакции автомобиля при быстрой езде.

Опасный режим – колёса вывернуты до упора, но водитель продолжает давить на обод руля в том же направлении. От усилителя требуется невозможное, он не в состоянии продвинуть сошку дальше ограничителя. Давление максимально, насос работает с высокой нагрузкой, жидкость быстро разогревается. Поэтому подобный режим недопустим, несмотря на принимаемые производителем меры в виде наличия разгрузочных клапанов.

Обслуживание и поломки в системе гидроусиления

Гидроусилители руля очень надёжны, а их обслуживание сводится к определённой регламентом периодической замене рабочей жидкости. Как и любая в автомобиле, она подвержена старению, окислению и выработке пакета присадок. Не проведённая вовремя замена снижает ресурс ГУР.

Наиболее часто происходит завоздушивание контуров усилителя из-за дефектов уплотнений или некачественно проводимых регламентных процедур. Если попытки прокачки системы от воздуха не дают нужного эффекта, или заметны потёки жидкости, то ГУР требует ремонта или замены узлов.

Возможны и иные отказы, все они проявляются в виде пропадания усиления, появления рывков, провалов, вибраций и закусываний при вращении руля. Диагностика достаточно сложна и требует квалифицированного персонала. Чаще всего замене подлежит насос, как самая нагруженная часть системы. Используются оригинальные, восстановленные или изделия афтермаркета от сторонних производителей. Встречается много некачественных узлов, которые проявляют себя гулом в работе сразу же после установки.

Чем хороша гидравлика, и в чём она уступает

Абсолютного лидерства пока ни у одной системы усиления руля не существует, так и ГУР обладает рядом достоинств и недостатков. В частности, он достаточно легко обеспечивает значительную мощность усиления, поскольку приводится непосредственно от двигателя. Поэтому его не вытесняют прочие системы из грузовиков и прочей тяжёлой техники.

В то же время у гидравлики имеются недостатки в виде пониженной точности управления дополнительным моментом во всех условиях. Учесть многочисленные ситуации на дороге может только сложная электроника, которая плохо сочетается с инертной гидравликой. Некий компромисс представляют собой гибридные усилители, где давление создаёт электрический насос. Но пока чисто гидравлические усилители достаточно прочно занимают место в своём сегменте рынка, как простые, мощные и хорошо отработанные конструкции.