Автомобили - Метаморфозы рулевого управления

Автомобили - Метаморфозы рулевого управления

Непростая судьба «баранки»
Рулевое управление – сложный комплекс технических и геометрических проблем, которые и по сей день решаются автомобильными конструкторскими бюро.

Немудрено, что в поворотах у первых автомобилей возникали большие проблемы. Рулевым управлением от кареты конструкторы самобеглых повозок удовлетвориться не могли. Возросшие скорости делали каждый поворот рискованным мероприятием. И все из-за того, что рулевое управление не было устроено таким образом, чтобы позволять внутреннему колесу автомобиля бежать по меньшему радиусу! Нежелательные нагрузки на управляемые колеса вызывали их скольжение и потерю управляемости.

В 1889 году Готтлиб Даймлер изобрел схему привода рулевого управления, при которой стойка управления могла располагаться не обязательно строго над поворачиваемыми колесами, а независимо от них в любом удобном месте. Поистине революционным изобретением стала созданная в 1893 году Карлом Бенцем рулевая трапеция. Успешное разрешение сложной для того времени технической проблемы побудило Бенца назвать свой новый автомобиль «Виктория». Передние колеса теперь стали делать одного размера с задними, а не меньшего диаметра, как раньше (чтобы сгладить огрехи в управляемости). Управляемые передние колеса в поворотах теперь бежали по разновеликим радиусам. Чуть позже было сформулировано правило Аккермана: для того чтобы при движении автомобиля на повороте колеса его имели качение без бокового скольжения, они должны катиться по окружностям, описанным из одного центра, который называется центром поворота. В нем пересекаются продолжения осей всех колес. Для соблюдения данного условия внутреннее по отношению к центру поворота управляемое колесо должно поворачиваться круче, чем наружное колесо. Для одновременного поворота колес на различные углы служит рулевая трапеция. Автомобилем с рулевым управлением, оснащенным трапецией, стало проще управлять, кроме того, удалось минимизировать износ шин – однако до идеала было еще далеко. Скорости автомобилей постоянно возрастали, и изобретатели были вынуждены работать над улучшением их управляемости. Оказалось, что в повороте внутреннее колесо должно наклоняться относительно вертикальной оси вовнутрь, а наружное – наружу. Особенно хорошо это стало видно у «мерсов» выпуска 70-х, когда инженеры из Штутгарта изобрели подвеску с небывалым углом наклона колес в повороте. Именно с тех пор управляемость «мерседесов» считается идеальной с точки зрения рулевого управления.

Наклон повернутого колеса называют продольным наклоном шкворня в плоскости, параллельной продольной оси транспортного средства. Наклон измеряется в градусах и представляет собой угол между вертикалью и линией, проходящей через центры поворота колеса. Эта линия проходит через шаровые опоры верхнего и нижнего рычагов подвески («классика»), через верхнюю и нижнюю точки крепления амортизаторной стойки (подвеска Макферсон) или по оси шкворня («Волга» – очень старая «классика»), но только в продольной плоскости автомобиля, то есть при взгляде на автомобиль сбоку. Этот угол называют «кастор». Кастор может быть положительным и отрицательным, он сильно влияет на управляемость автомобиля.

При маневрировании и движении по прямой недостаточный кастор – виновник «тугого руля». Благодаря конструктивно заложенному «положительному» кастору передние колеса самоцентрируются при выходе из крутого поворота. При повороте же руля в сторону заноса автомобиль как бы «хочет распрямиться», а не закрутиться вокруг своей оси. Это свойство помогает водителю бороться с заносом задней оси на скользкой дороге.

Современное рулевое управление должно отвечать целому комплексу требований. Например, за счет имеющейся жесткости рулевого управления автомобиль должен реагировать на самые малые повороты руля. Еще рулевое управление должно максимально демпфировать колебания, неизбежно передаваемые от колес автомобиля на руль при движении по неровным дорогам. И здесь опять отличились мерседесовские инженеры. Они снабдили рулевой вал резиновыми муфтами, гасящими толчки, а к рулевой трапеции приладили настоящий амортизатор! Вот откуда те незабываемые ощущения от управления «мерседесами». У них на руль не передается ни малейшей вибрации от колес. Однако демпфирование колебаний не должно приводить к потере обратной связи в рулевом управлении.

Эта проблема возникла в связи с применением усилителя рулевого управления. Для повышения точности и скорости вождения передаточное отношение рулевого механизма должно быть достаточно большим. Но такой руль крутить тяжело. С уменьшением передаточного отношения требуемое усилие также уменьшается, но возрастает количество оборотов руля, необходимое для совершения маневра.

Сохранить высокое передаточное отношение для точности руления, но сделать руль легким помогло дополнительное устройство – рулевой усилитель (power steering или power-assisted steering), облегчающий вращение руля. Он позволяет крутить руль буквально одним пальцем!

Это заставило конструкторов разработать правильные системы с нелинейной характеристикой, делающие руль тяжелее с набором скорости. Электронный блок управления, связанный со спидометром, дает команду распределительному клапану, и давление в системе гидроусилителя руля снижается. Если гидроусилитель электрический, в дело вступают специальные соленоиды. Главное преимущество электрического усилителя – в экономии топлива на 2–5% по сравнению с гидравлическим. Такие системы помогают поворачивать руль на автомобиле во время парковки, а при увеличении скорости степень усиления снижается. Таким образом, при движении с высокими скоростями обеспечивается управление автомобилем в поворотах в оптимальном режиме. Рулевое управление автомобиля состоит из трех основных узлов. Это рулевая колонка, рулевой механизм, преобразующий вращательное движение в поступательное, и тяги, передающие усилие на поворотные устройства колес. В легковушках самый распространенный рулевой механизм – шестерня/рейка, а винт/гайка и шарнир с рециркулирующими шариками чаще встречаются на тяжелых машинах.

Эти типы рулевых механизмов отвечают современным требованиям: отсутствие люфта во всех элементах, низкое трение, высокая жесткость и возможность регулировок.

Правила предписывают водителю проверять рулевое управление перед каждым выездом. Но может быть, в современных машинах оно стало столь надежным, что надобность в этой архаичной операции отпала?

Автомобильные «бублики»

Ручку управления старых авто, так напоминавшую ручку механической кофемолки, в 1905 году заменил полноценный руль. Он был изобретен французским конструктором, автогонщиком и владельцем автомобильной фабрики Эмилем Левассором. Рули тех лет имели обязательно четыре спицы и были очень похожи друг на друга. Только фирма Рено упорно устанавливала на свои авто пятиспицевые рули. Трехспицевые рули впервые появились в Америке только в конце двадцатых. Послевоенные годы принесли элегантный двухсекционный руль с хромированным ободком включения звукового сигнала. Настоящей сенсацией стал односпицевый руль Ситроена в 1955 году. Станем ли мы свидетелями массового выпуска автомобилей вовсе без рулей? Возможно. Тем более, что уже есть действующие модели, управляемые компьютерным джойстиком.
Полноуправляемые

Эксперименты с полноуправляемыми автомобилями велись еще в довоенные времена. Поначалу конструкторы преследовали только одну цель – улучшить маневренность, заставив задние колеса автомобиля поворачиваться в сторону, противоположную передним. Однако все оказалось не так просто – с ростом скорости реакция такой машины даже на небольшие повороты руля оказалась пугающе резкой. Автомобиль приобретал избыточную поворачиваемость – слишком круто заходил в виражи, и задняя ось шла в занос. Первые попытки справиться с этой проблемой привели к появлению механических полноуправляемых систем, в которых направление и угол поворота задних колес зависели от угла поворота передних колес. При небольших отклонениях руля, характерных для движения на большой скорости, задние колеса «подруливали», немного поворачиваясь в ту же сторону, что и передние, и это повышало курсовую устойчивость. Но стоило при парковке заложить «баранку» на значительный угол, и задние колеса поворачивались в другую сторону, повышая маневренность. Первым серийным легковым автомобилем с такой системой была Honda Prelude 4WS 1987 года. Однако механическая связь переднего и заднего рулевых механизмов, пусть даже и самая изощренная, не смогла обеспечить надежного управления во всех режимах. И на помощь пришла электроника, причем японская – первопроходцами стали фирмы Honda, Mazda и Mitsubishi. В настоящее время выпускается полноуправляемая Mazda модели Xedos 9 – солидный седан среднего класса. У автомобиля реечный рулевой механизм с гидроусилителем. Из него выходит длинный (2,5-метровый) вал-шест, который крепится к заднему рулевому механизму с вмонтированным сбоку электродвигателем. Информацию об угле поворота передних колес он получает непосредственно по рулевому валу, но поворачивает задние колеса не сразу. Сначала он должен получить команды от электронного блока управления, который анализирует не только угол поворота руля, но и скорость движения и боковые перегрузки. В результате при малых скоростях (до 47 км/ч) передние и задние колеса поворачиваются в разные стороны , а при высоких – в одну и ту же. В настоящее время конструкторы КамАЗа проектируют трактор, базирующийся на узлах и агрегатах автомобилей КамАЗ. Основные особенности модели – полный привод, небольшая база и полное управление всеми колесами, необходимое для минимизации радиуса разворота трактора.