В 1985 году BMW представила систему Servotronic, предназначенную для регулировки рулевого управления в зависимости от скорости. Эта система позволяет уменьшить усилие, необходимое для поворота руля в зависимости от скорости или дорожных условий. Из-за конструктивных особенностей Servotronic можно устанавливать только на автомобили с гидравлическим или электроусилителем руля. Наличие такой системы положительно сказывается на комфорте вождения и точности управления транспортным средством.
Устройство и принцип работы Servotronic
Система Servotronic разделена на три основных сегмента: информационный, вычислительный и исполнительный. Каждый из них состоит из определенных узлов и компонентов. Сегмент сбора данных состоит из ряда датчиков:
- гидроусилитель руля (угол поворота руля);
- датчик Холла на коленвале;
- спидометр;
Датчики сервотроника собирают информацию о скорости автомобиля, угле поворота руля относительно колес и других параметрах автомобиля. Собранные данные отправляются в вычислительный блок, где они интерпретируются в инструкции для приводов.
Сегмент исполнительного механизма включает камеру обратного поршня. В камере находится электромагнитный клапан, управляемый по сигналам компьютерного блока. Клапан и поршень, соединенные с золотником гидроусилителя, выполняют основные функции системы.
При повороте рулевого колеса золотник открывается, позволяя гидравлическому маслу течь к цилиндру гидроусилителя рулевого управления. В то же время электромагнитный клапан получает данные, интерпретированные вычислительным блоком, и заполняет возвратную камеру.
Так, давление в цилиндре ГУР снижается, поршень в камере обратного хода, в свою очередь, блокирует золотник. Усилие на руле увеличивается вместе с повышением комфорта вождения.
В случае электроусилителя руля сигналы от ЭБУ поступают на сервопривод, который через планетарный блок соединен с рулевой рейкой. Механическая связь рулевой рейки и рейки при этом сохраняется. В случае отказа сервопривод блокируется и возможность управления транспортным средством сохраняется.
Когда автомобиль движется прямолинейно, гидравлическое масло циркулирует в магистрали между насосом гидроусилителя руля и накопительным баком. Поворот руля служит сигналом к смене полосы движения. В зависимости от стороны поворота жидкость поступает в одну из камер силового цилиндра. Из противоположной палаты он идет к блоку. Результатом является разность давлений, которая передает усилие на рулевую рейку. Тот, в свою очередь, давит на рулевые тяги и происходит поворот.
Повышенная эффективность гидроусилителя руля заметна при работе на малых скоростях, например, при маневрировании в городе или при парковке. Это связано с обратной зависимостью между частотой вращения гидронасоса и скоростью автомобиля. Чем меньше второй, тем больше первый.
Плюсы и минусы Сервотроника
Сервотроник — относительно новая и специфическая технология. У него есть свои приверженцы и те, кто выражает антипатию. Следующий список плюсов и минусов поможет вам принять решение, основываясь на собственном мнении.
Преимущества
- Компоненты сервотроника отделены друг от друга и не занимают много места в кузове. Сложностей с проектированием и установкой системы нет.
- Повышенный комфорт рулевого управления.
- Системы безопасности сохраняют управляемость даже в случае отказа сервотроника.
- Облегчает маневры на малых скоростях, например при парковке.
- Повышена точность управления на высокой скорости.
- Экономичные режимы работы.
Дефекты
- Оставление колес в конечном положении на длительное время может привести к отказу системы из-за перегрева гидравлического масла.
- Снижена информативность руля при движении на высокой скорости.
Статьи
Рулевое управление предназначено для изменения направления движения автомобиля путем поворота передних колес. Автомобильное колесо появилось еще до нашей эры, а поворотные оси появились на конных повозках лишь в начале XIX века. Этот дизайн был перенесен на ранние автомобили. Позже родилась рулевая трапеция. В те далекие годы, конечно, никто не предполагал, что рулевое управление станет таким сложным: механика вступит в союз с гидравликой и даже электроникой.
Работа гидроусилителя
Большинство современных автомобилей оснащены гидроусилителем руля – ЭУР и гидроусилителем руля. Усилитель руля призван обеспечить комфортную езду, а также уменьшить усилие на руле и поддержать автомобиль после резкого маневра. Сегодня даже в базовой комплектации автомобиль получает гидроусилитель руля.
До недавнего времени существовало два варианта рулевых механизмов со встроенными гидросерводвигателями: реечный и «винт — шар — сектор». Последние ставились на большие автомобили и внедорожники. Сегодня даже на тяжелых машинах появляются все более компактные «рельсы».
Напомним принцип работы реечного механизма с гидравлическим серводвигателем. В корпусе находится регулирующий клапан с чувствительным элементом — торсионом, соединенным с рулевым валом. Водитель крутит руль, торсион, поворачиваясь, перемещает золотник. Он приоткрывает отверстия масляных каналов, которые идут к силовому цилиндру гидроусилителя. Последний толкает рейку, уменьшая усилие на маховике. Как только водитель перестает крутить руль, торсион возвращается в исходное положение и жидкость перекачивается обратно в бачок.
Производительность насоса, приводимого в движение ремнем коленчатого вала, должна быть такой, чтобы при работе двигателя на холостом ходу водитель мог без «закусывания» крутить руль со скоростью не менее 1,5 оборота в секунду. Избыточное давление стравливает перепускной клапан.
Сделать вождение комфортным как на парковках, так и на шоссе помогают рулевые механизмы с переменным передаточным числом: в центре рейки зубья нарезаны с малым шагом, на концах — с большим шагом. На малых углах поворота машина не так остро реагирует на действия руля, что очень важно на высоких скоростях, но при повороте нужно меньше крутить руль.
Сервотроника
Системы, регулирующие усилие на рулевом колесе в зависимости от скорости, обеспечивают дополнительный комфорт и безопасность. Одним из примеров является сервотроник, установленный в Audi».
В верхней части распределителя находится так называемая камера заднего хода. В нем движется поршень, соединенный с золотником.
Представьте, что водитель поворачивает направо. Золотник открывает путь жидкости к силовому цилиндру, который помогает рейке вращать колеса. При этом масло через электромагнитный клапан (управляемый электронным блоком, получающим информацию от датчика скорости) начинает поступать в камеру обратного действия. Один из перепускных клапанов открывается, возникает разность давлений, и поршень, опускаясь, ограничивает ход золотника. Давление в силовом цилиндре гидроусилителя падает, и, наоборот, увеличивается усилие на маховике. Когда водитель перестает крутить руль, золотник и обратный клапан закрываются.
Поворот против часовой стрелки открывает еще один перепускной клапан, и поршень поднимается, снова корректируя движение золотника, сбрасывая давление в другом месте силового цилиндра.
При парковке и движении ползком (примерно до 20 км/ч) электромагнитный клапан, ограничивающий поступление жидкости в камеру обратного действия, закрыт — руль можно крутить одним пальцем. По мере увеличения скорости клапан постепенно открывается и усилие на маховике увеличивается.
Устройство работает эффективно и надежно. Но гидронасос забирает мощность у двигателя, а значит расходует лишнее топливо и наносит вред окружающей среде. Такой «халявщик» особенно нежелателен для маломощных моторов. Конструкторы нашли другое решение: давление рабочей жидкости качает электрический насос. Блок управления получает информацию от датчиков поворота рулевого колеса и скорости автомобиля.
Производители тщательно подсчитали, что благодаря электрогидравлическим усилителям автомобиль экономит около 0,2 л/100 км. Также важно облегчить инженерам выбор функций, настройку устройства под конкретную модель.
Следующим шагом является так называемый активный адрес. Основным преимуществом является возможность изменения передаточного числа между рулем и колесами. На пути от рулевого колеса к гидроусилителю встроена планетарная передача с электродвигателем.
При выезде с бордюра передаточное число минимальное, а количество полных оборотов руля не более двух. С увеличением скорости автомобиля управление становится менее чувствительным и стоит выехать на проселок – электродвигатель, поворачивая опору планетарного редуктора, увеличит передаточное число.
Активное рулевое управление в сочетании с другими системами также может помочь в сложных ситуациях. Например, машину занесло. Компьютер, прощупав датчики угла поворота руля и скорости вращения колес, включит электродвигатель. Это понизит передаточное число, чтобы водителю было легче удерживать автомобиль на желаемом пути. Активное рулевое управление пригодится и при экстренном торможении с АБС: если нет возможности вовремя остановиться, водителю легче избежать столкновения.
Первыми из серийных моделей такое устройство опробовали автомобили BMW пятой серии. Вероятно, скоро такие системы будут прописаны во многих автомобилях, пока их не заменит так называемое управление по проводам.
Электромеханические усилители
Успешные попытки вытеснить рулевую гидравлику предпринимались в конце прошлого века. Сегодня в некоторых автомобилях уже есть электромеханические усилители.
Принцип работы электрического и гидравлического приводов очень похож. Поворачивая руль, водитель поворачивает торсион, чувствительный элемент, который подает сигнал на ЭБУ. Он дает команду электродвигателю, который крутит рулевой вал, уменьшая усилие на руле.
Широкое использование электрических и гидравлических приводов ограничено действующим 12-вольтовым стандартом для электрооборудования транспортных средств. Поэтому пока они только в малолитражках.
Провод управления
И все же будущее, похоже, не за хитрой механикой или гидравликой, усложненной электроникой. Автогиганты упорно работают и в основном над системами без механической связи руля с колесами, так называемое рулевое управление тросом).
Вращение маховика контролируется специальным датчиком. Электронный блок, получая информацию о скорости, боковых и вертикальных ускорениях, подает сигнал на исполнительные механизмы — электродвигатели, вращающие колеса.
Преимущества такой системы очевидны. В критической ситуации автомобиль сможет самостоятельно повернуть колеса на нужный угол (причем быстрее человека!). Предположим, что система стабилизации не смогла предотвратить занос и машину, как волчок, закрутило на обледенелой дороге. Скоростная электроника, после опроса датчиков, повернет руль куда и насколько нужно, притормаживая одно или пару колес.
Самостоятельность автомобиля значительно упростит жизнь водителю: например, умело припаркуется компьютер. А когда автомобили научатся хорошо «видеть», они смогут даже преодолевать препятствия.
Такие системы выгодны и с технологической точки зрения: протягивать тросы гораздо проще, чем шарнирную ось. Рулевая трапеция убрана — электродвигатели сами задают разные углы поворота колес. Кстати, с точки зрения пассивной безопасности эта конструкция лучше.
Уже есть много концепций без традиционного контроля. Серийные автомобили появятся в обозримом будущем, судя по всему. И тогда, глядишь, привычный руль заменит многофункциональный джойстик; с ним водитель будет корректировать не только направление, но и скорость.
Сервотроник/Servotronic
В автошколе нас учат, прежде всего, умению обращаться с рулем; от этого будет зависеть безопасность движения и курсовая устойчивость автомобиля. Благодаря такому устройству, как гидроусилитель, крутить руль намного легче.
Однако возникают и определенные проблемы, например, на малой скорости крутить руль труднее, чем на большой, а по идее должно быть наоборот. Согласитесь, что при передвижении по городу на небольшой скорости приходится чаще крутить руль: при парковке, объезде круговых развязок, поворотах и т.д. Тем самым мы делаем усилие.
На прямой дороге картина совершенно иная: водитель движется со скоростью 90 км/ч и более, но ГУР работает так, что на этой скорости требуется меньше усилий для поворота руля. Одно неверное движение, и машина выезжает на встречную полосу, заносит.
На высоких скоростях контролировать ситуацию намного сложнее. (Эта проблема решается отключением гидроусилителя на высоких оборотах или переходом на другой режим).
Для того чтобы усилия на разных скоростях распределялись правильно, было создано такое устройство, как Сервотроник, он же Сервотроник.
Что дает нам?
При езде по городу с сервотроником приходится прилагать меньше усилий, особенно при параллельной парковке или выезде из коробки задним ходом, когда руль буквально приходится выворачивать из крайнего левого положения в крайнее правое. Когда мы мчимся по трассе, коэффициент усиления уменьшается, а значит, приходится прилагать больше усилий для поворота руля, что обеспечивает курсовую устойчивость и плавность хода.
Устройство и принцип работы сервотроника
Прежде чем схематично описать устройство системы Servotronic, следует сказать, что она используется в автомобилях компаний Volkswagen, BMW, Volvo, Porsche. Многие другие производители устанавливают электрогидравлические серводвигатели с режимами «Город» и «Трасса», на трассе коэффициент рулевого управления снижается, а в городе, наоборот, увеличивается.
Сервотроник представляет собой сложную систему, состоящую из нескольких ключевых элементов. Очень важную роль играет датчик гидроусилителя руля или датчик угла поворота руля, а также датчик спидометра, который анализирует текущую скорость. Кроме того, блок управления сервотроником получает от ЭБУ информацию о скорости вращения и положении коленчатого вала.
Все эти датчики собирают информацию и передают ее в блок управления, который ее обрабатывает и подает команды на перепускной электромагнитный клапан (если есть ГУР) или на электродвигатель насоса (электроусилитель руля). Следовательно, на низких скоростях клапан позволяет большему количеству гидравлической жидкости проходить в силовой цилиндр и увеличивает усиление рулевого управления: мощность передается от привода, и колеса поворачиваются. При наличии ЭГУР двигатель насоса начинает крутиться быстрее, увеличивая подачу жидкости в бак.
На высоких скоростях происходит прямо противоположное: на клапан поступает сигнал от блока управления сервотроником уменьшить расход жидкости, снижается коэффициент усиления рулевого управления, и водителю приходится больше работать.
Чтобы полностью понять принцип работы сервотроника, необходимо знать, как работают различные системы усилителя руля: гидравлические, электрогидравлические или электрические.
Сервотроник же лишь немного корректирует его работу, подстраивая усиление руля под конкретные режимы движения. Основными приводными элементами в различных системах являются электромеханический клапан или электродвигатель насоса. Также разрабатываются усовершенствованные системы, которые со временем значительно упростят и сделают процесс вождения более безопасным.
