Теория

Усилители рулевого управления

Общие сведения

Если на управляемые колеса приходится большой вес, то управление затрудняется из-за необходимости прикладывать к рулевому колесу значительные усилия. Это предопределило применение усилителей рулевого управления.

Если первоначально по указанным причинам усилители применялись на тяжелых грузовых автомобилях и автобусах с высокими нагрузками на управляемые колеса, то в последние десятилетия усилители стали более широко применяться также и на легковых автомобилях, в том числе малого класса, поскольку позволяют использовать рулевые механизмы с меньшими передаточными числами и обеспечивать точность и быстродействие управления на высоких скоростях движения (меньше необходимые углы поворота рулевого колеса).

Возрастающие при этом усилия, необходимые для маневрирования с большими углами поворота колес (например, парковка), компенсируются действием усилителя. Кроме того, наличие усилителя снижает общую физическую нагрузку на водителя, в ряде случаев позволяет гасить удары от дорожных неровностей, усилитель обеспечивает возможность удержания автомобиля на дороге при повреждении шин или подвески. Но усилитель может оказать и отрицательное влияние на рулевое управление, например, из-за низкого быстродействия (запаздывание включения при резких поворотах руля), потери водителем «чувства дороги», снижении точности управления при слишком облегченном повороте рулевого колеса, колебаниях управляемых колес, спровоцированных усилителями.

Современные рулевые усилители имеют конструкцию, свободную от данных недостатков. Усилители, применяемые на современных автомобилях, по принципу своего действия могут быть адаптивными и неадаптивными, а по типу привода — гидравлическими, пневматическими и электрическими.

Адаптивные усилители могут изменять коэффициент усиления в зависимости от скорости автомобиля. У автомобиля с таким усилителем при маневрировании на стоянке усилие, необходимое для поворота рулевого колеса, значительно ниже, чем у неадаптивных, а по мере увеличения скорости движения автомобиля усилие поворота увеличивается.

Неадаптивный усилитель состоит из трех основных частей:

— источника энергии;

— силового элемента, создающего дополнительное усилие при работе рулевого управления;

— управляющего элемента, отвечающего за включение и выключение силового элемента.

Адаптивный усилитель руля, кроме перечисленных частей, имеет датчик скорости автомобиля, электронный блок управления и исполнительное устройство (обычно электрогидравлическое), которое воздействует на управляющий элемент.

Большинство современных автомобилей с усилителем имеют гидравлический усилитель рулевого управления, в котором гидравлический насос, приводимый от двигателя автомобиля (источник энергии), создает давление в гидравлическом цилиндре (силовой элемент). Наиболее распространены гидроусилители, в которых силовой и распределительный элементы объединены с рулевым механизмом в одном корпусе (гидроруль). Поршнем гидроцилиндра в реечном рулевом механизме при этом является рулевая рейка, в механизме «винт – гайка–рейка–сектор» — гайка. Управляющее устройство выполнено в виде золотника на входном вале механизма, который при прикладывании усилия к рулевому колесу поворачивается (или смещается) перекрывает определенные каналы для прохода жидкости и тем самым соединяет правую или левую полость гидроцилиндра с гидравлическим насосом.

На некоторых автомобилях (многоосные, тяжелые грузовые) гидроцилиндр устанавливают в непосредственной близости от управляемого колеса для снижения нагрузок на рулевой привод. Иногда с целью унификации конструкции рулевого механизма для автомобилей с усилителями и без них золотниковое распределительное устройство также располагается на тягах рулевого привода.

Разновидностью гидроусилителя является электрогидравлический усилитель, в котором гидравлический насос соединен с электродвигателем, питающимся от бортовой электросети автомобиля. Конструктивно электродвигатель и гидронасос (рис.5.1.5) объединены в силовой блок (Powerpack).

Преимущества такой схемы: компактность, возможность функционирования при неработающем двигателе (источник энергии — АКБ автомобиля); включение гидронасоса только в необходимые моменты (экономия энергии), возможность применения электронных схем регулирования в цепях электродвигателя.

В последние годы на легковых автомобилях стали применяться электрические усилители рулевого управления, в которых функции силового элемента выполняет электродвигатель, а управляющего элемента — электронный блок. Основные преимущества данного усилителя: удобство регулирования характеристик, повышение надежности (отсутствие гидравлики), экономное расходование энергии.

Возможны следующие варианты компоновки (рис.5.1.6) электрического усилителя:

— усилие электродвигателя передается на вал рулевого колеса;

— усилие электродвигателя передается на вал шестерни реечного рулевого механизма;

— электродвигатель воздействует через винтовую гайку на рейку рулевого механизма.

Электрический усилитель с воздействием на вал рулевого колеса может быть установлен без серьезных переделок на автомобили при условии, что прочность деталей рулевого управления окажется достаточной.

Пока электрические усилители применяются лишь на легких автомобилях, поскольку существующие бортовые источники электроэнергии не могут обеспечить работу электродвигателя высокой мощности. Но в случае перехода на более высокое напряжение бортовой сети (например, 48 В) можно ожидать расширения сферы применения электрических усилителей.

Электрический усилитель рулевого управления с двумя приводными шестернями

Основными компонентами рулевого управления являются (рис.5.1.7):

·         рулевое колесо,

·         подрулевые переключатели с датчиком угла поворота рулевого колеса,

·         рулевая колонка,

·         датчик крутящего момента на рулевом колесе,

·         рулевой механизм,

·         электродвигатель усилителя,

·         блок управления усилителем рулевого механизма.

Рулевой механизм (рис.5.1.8) содержит датчик крутящего момента на рулевом колесе, торсион, приводные шестерни усилителя и вала рулевого управления, червячную передачу и электродвигатель с блоком управления. Основной деталью рулевого механизма с электрическим усилителем является рейка с зубьями на двух участках.

У рулевого механизма с электрическим усилителем и двумя приводными шестернями необходимое для поворота колес автомобиля усилие суммируется из усилий, передаваемых на рейку обеими шестернями. При этом на одну шестерню передается крутящий момент, создаваемый водителем на рулевом колесе, а на другую – крутящий момент электродвигателя усилителя после преобразования его в червячной передаче.

Оснащенный блоком управления и датчиком электродвигатель усилителя связан с отдельной шестерней рулевого механизма, в то время как другая шестерня обеспечивает механическую связь рулевого колеса с рейкой. Благодаря этому рулевое управление полностью сохраняет работоспособность при выходе из строя электродвигателя усилителя.

Работа усилителя происходит следующим образом:

1.Действие усилителя при повороте рулевого колеса (рис.5.1.9)

 

1. Усилитель рулевого механизма начинает действовать при повороте рулевого колеса водителем.

2. Действующий на рулевое колесо крутящий момент передается на рулевой механизм через торсион, который закручивается в соответствии с величиной момента. Закрутка торсиона измеряется посредством датчика крутящего момента, сигнал с которого поступает в блок управления усилителем.

3. Текущий угол поворота рулевого колеса измеряется датчиком угла поворота рулевого колеса, а скорость его вращения определяется по частоте вращения ротора двигателя усилителя, измеряемой посредством установленного на этом двигателе датчика.

4. Блок управления усилителем рассчитывает крутящий момент двигателя усилителя по величинам момента на рулевом колесе, скорости автомобиля, частоты вращения коленчатого вала, угла и скорости поворота рулевого колеса. При этом учитываются сохраняемые в памяти прибора характеристики. По результатам расчета блок управления изменяет крутящий момент двигателя усилителя.

5. Создаваемый электродвигателем усилителя крутящий момент передается через червячную передачу на приводную шестерню, которая действует на рейку рулевого механизма параллельно шестерне, приводимой от рулевого колеса.

6. Таким образом, перемещение рейки происходит под действием суммы усилий, создаваемых в результате преобразования крутящего момента двигателя усилителя и крутящего момента, передаваемого с рулевого колеса.

2.Действие усилителя при парковании (рис.5.1.10)

 

1. При парковании водитель вынужден поворачивать рулевое колесо на относительно большие углы.

2. Закрутка торсиона измеряется датчиком крутящего момента. Передаваемые в блок управления сигналы датчика свидетельствуют при этом об относительно больших крутящих моментах на рулевом колесе.

3. Угол поворота рулевого колеса измеряется датчиком, а скорость его вращения определяется по частоте вращения ротора двигателя усилителя.

4. Ввиду относительно большого момента на рулевом колесе и нулевой скорости автомобиля блок управления определяет необходимость в значительном усилении рулевого управления, учитывая при этом частоту вращения коленчатого вала, угол и скорость поворота рулевого колеса, а также сохраняемую в памяти прибора характеристику усилителя для скорости автомобиля v=0 км/ч.

Соответственно этим расчетам устанавливается величина крутящего момента двигателя усилителя.

5. Таким образом, при парковании на рейку действуют максимальные усилия, передаваемые через вторую, параллельно действующую шестерню.

6. Перемещение рейки происходит под действием суммы усилий, создаваемых в результате преобразования крутящего момента двигателя усилителя и крутящего момента, передаваемого с рулевого колеса.

3.Действие усилителя при движении автомобиля в городе (рис.5.1.11)

 

1. При движении в городе водителю часто приходиться вращать рулевое колесо, совершая повороты.

2. Действующий на рулевое колесо крутящий момент передается на рулевой механизм через торсион, закрутка которого в данном случае не превышает средних значений.

Измеряющий закрутку торсиона датчик передает соответствующий ей сигнал в блок управления усилителем.

3. Текущий угол поворота рулевого колеса измеряется датчиком, а скорость его вращения определяется по частоте вращения ротора двигателя усилителя, измеряемой посредством установленного на этом двигателе датчика.

4. Ввиду умеренных значений крутящего момента на рулевом колесе и близкой к 50 км/ч скорости автомобиля блок управления определяет необходимость в относительно небольшом усилении рулевого управления.

При этом учитывается частота вращения коленчатого вала, угол и скорость поворота рулевого колеса, а также сохраняемая в памяти прибора характеристика усилителя для скорости автомобиля v=50 км/ч.

Соответственно этому устанавливается крутящий момент двигателя усилителя.

5. Таким образом, при движении на поворотах на рейку действуют умеренные усилия, передаваемые через вторую, параллельно действующую шестерню.

6. Перемещение рейки происходит в данном случае под действием суммы усилий, создаваемых в результате преобразования крутящего момента двигателя усилителя и крутящего момента, передаваемого с рулевого колеса.

4.Действие усилителя при движении на автомагистрали (рис.5.1.12)

 

1. При смене полосы движения водитель поворачивает рулевое колесо на относительно небольшой угол.

2. Действующий на рулевое колесо крутящий момент передается на рулевой механизм через торсион, закрутка которого в данном случае невелика. Измеряющий закрутку торсиона датчик передает соответствующий ей сигнал в блок управления усилителем.

3. Текущий угол поворота рулевого колеса измеряется датчиком, а скорость его вращения определяется по частоте вращения ротора двигателя усилителя, измеряемой посредством установленного на этом двигателе датчика.

4. Ввиду малых значений крутящего момента на рулевом колесе и близкой к 100 км/ч скорости автомобиля блок управления определяет необходимость в очень небольшом усилении рулевого управления. При этом учитывается частота вращения коленчатого вала, угол и скорость поворота рулевого колеса, а также сохраняемая в памяти прибора характеристика усилителя для скорости автомобиля v=100 км/ч. Соответственно этому устанавливается крутящий момент двигателя усилителя.

5. Таким образом, при движении на автомагистрали на рейку действуют небольшие или близкие к нулю усилия, передаваемые через вторую, параллельно действующую шестерню.

6. Перемещение рейки происходит в данном случае под действием суммы усилий, создаваемых в результате преобразования крутящего момента двигателя усилителя и крутящего момента, передаваемого с рулевого колеса.

5.Активный возврат управляемых колес в среднее положение (рис.5.1.13)

 

1. Если при движении автомобиля на повороте водитель снижает усилия, прилагаемые к рулевому колесу, торсион раскручивается.

2. Блок управления рассчитывает скорость возврата колес автомобиля в среднее положение в зависимости от падающего момента на рулевом колесе, угла и скорости его поворота. Рассчитанное значение сравнивается с фактическим значением скорости возврата колес, а результат сравнения служит основанием для определения момента, необходимого для поворота колес в среднее положение.

3. Геометрия подвески обычно такова, что при повороте управляемых колес автомобиля возникают реактивные усилия, которые стремятся вернуть их в исходное среднее положение. Однако, эти усилия обычно настолько малы, что не могут преодолеть силы трения в рулевом приводе и в подвеске.

Поэтому самоустановка управляемых колес в среднее положение не происходит.

4. Блок управления усилителем рассчитывает необходимый для возврата колес крутящий момент двигателя усилителя по величинам момента на рулевом колесе, скорости автомобиля, частоты вращения коленчатого вала, угла и скорости поворота рулевого колеса.

При этом учитываются сохраняемые в памяти прибора характеристики. По результатам расчета блок управления изменяет крутящий момент двигателя усилителя.

5. В результате двигатель усилителя обеспечивает возврат управляемых колес в среднее положение.

6.Коррекция среднего положения управляемых колес

Коррекция среднего положения управляемых колес – это функция, которая реализуется благодаря способности рулевого управления к активной самоустановке. При этом усилитель создает крутящий момент, необходимый для удерживания колес автомобиля в положении, при котором автомобиль удерживается на прямолинейном курсе. Различают режимы кратковременной и долговременной коррекции среднего положения управляемых колес.

6.1.Режим долговременной коррекции

Усилитель работает в режиме долговременной коррекции, если необходимо постоянно устранять отклонение автомобиля от прямолинейного курса, например, после замены летних шин бывшими в употреблении зимними шинами.

6.2.Режим кратковременной стабилизации (рис.5.1.14)

При работе в этом режиме усилитель позволяет удерживать автомобиль на прямолинейном курсе при кратковременном воздействии на автомобиль внешних сил. Благодаря этому облегчается управление автомобилем, например, при действии на него бокового ветра.

1. На автомобиль действует постоянная внешняя сила, вызываемая, например, боковым ветром.

2. Чтобы удержать автомобиль на прямолинейном курсе, водитель вынужден повернуть рулевое колесо из среднего положения.

3. Блок управления усилителем рассчитывает крутящий момент двигателя усилителя, необходимый для удержания автомобиля на прямолинейном курсе, по величинам момента на рулевом колесе, скорости автомобиля, частоты вращения коленчатого вала, угла и скорости поворота рулевого колеса. При этом учитываются сохраняемые в памяти прибора характеристики.

4. В результате двигатель усилителя помогает вернуть автомобиль на прямолинейный курс. При этом водитель не должен больше «подруливать».

 

На базе электрического усилителя был создан новый рулевой механизм с переменным передаточным отношением.

Благодаря специальной зубчатой рейке с разными зонами зубьев, при увеличении угла поворота рулевого колеса передаточное отношение рулевого механизма прогрессивно уменьшается. В результате характер рулевого управления становится ощутимо более непосредственным, а максимальные углы поворота рулевого колеса уменьшаются, делая управление автомобилем более удобным.

С технической точки зрения, главные отличия рулевого механизма с переменным передаточным отношением от обычного заключаются в зубчатой рейке с зубьями разной формы, вале-шестерне, а также более мощном электродвигателе. В отличие от рулевого механизма с постоянным передаточным отношением, в механизме с переменным передаточным отношением форма зубьев зубчатой рейки по мере удаления от положения прямолинейного движения существенно изменяется (рис.5.1.15).

Благодаря большему или меньшему наклону зубьев, передаточное отношение при нахождении вала-шестерни в разных точках рейки оказывается разным. Другими словами, при том же повороте рулевого колеса такая рулевая рейка перемещается на большее расстояние.

В положении для прямолинейного движения вал-шестерня находится в зоне прямых зубьев (зелёная зона). При повороте рулевого колеса на угол больше определённого вал-шестерня находится на рейке в зоне косых зубьев (синяя зона).

Диапазон поворота рулевого колеса на автомобилях с обычным рулевым управлением, например, составляет 1080°. То есть водитель должен сделать 1,5 поворота рулевого колеса до правого или левого упора.

На автомобиле с рулевым управлением с переменным передаточным отношением общий диапазон поворота рулевого колеса составляет 720°. Водитель должен, таким образом, повернуть рулевое колесо только на один оборот (360°), чтобы дойти до правого или левого упора.

При прямолинейном движении сохраняется привычный прямой характер рулевого управления. Вал-шестерня находится в зоне прямых зубьев (зелёная зона) (рис.5.1.16).

При движении по извилистой дороге, поворотах на перекрёстках или маневрировании при парковке водитель чувствует, что рулевое управление реагирует более динамично. В зоне с косыми зубьями (синяя зона) передаточное отношение с увеличением угла поворота рулевого колеса прогрессивно уменьшается.

 

Электрический усилитель рулевого управления с приводом, параллельным оси рулевой рейки

Рулевое управление включает следующие узлы (рис.5.1.17):

·         рулевое колесо;

·         блок подрулевых выключателей с датчиком угла поворота рулевого колеса;

·         рулевая колонка;

·         датчик момента поворота рулевого колеса;

·         рулевой механизм (гайка на шариках);

·         электродвигатель электроусилителя рулевого управления (синхронный электродвигатель);

·         блок управления усилителя рулевого управления;

·         карданный вал.

 

С помощью электрического усилителя рулевого управления с параллельным приводом посредством сервопривода на зубчатой рейке создаётся необходимое усилие. Сервопривод (рис.5.1.18) состоит из электродвигателя, гайки шарико-винтовой передачи и блока управления усилителя рулевого управления.

Электродвигатель питается непосредственно от силового электронного модуля блока управления. Вращательное движение электродвигателя преобразуется в поступательное движение зубчатой рейки с помощью шариково-винтовой передачи, важнейшим компонентом которой является шариковая гайка. Шариковая гайка приводится зубчатым ремнём от электродвигателя. Принцип действия в основном соответствует принципу действия рулевого управления с электрическим усилителем с двумя приводными шестернями, рассмотренного выше Различие заключается в способе привода шариковой гайки.

Принцип действия шариково-винтовой передачи аналогичен принципу действия обычной винтовой пары. Витки резьбы заменены беговыми канавками, соединение между винтом (ходовым винтом) и гайкой (шариковой гайкой) обеспечивается шариками в беговых канавках. Шарики вращаются подобно элементам качения подшипника по замкнутому контуру (рис.5.1.19).

 

Для реализации такого принципа вращения в шариковой гайке имеется возвратный канал, соединяющий «начало» и «конец» беговых канавок шариковой гайки друг с другом. При изменении направления вращения гайки изменяется и направление качения шариков, а вместе с этим также и направление продольного перемещения зубчатой рейки.

Рулевой момент определяется датчиком момента поворота рулевого колеса G269 (рис.5.1.20). Входной вал рулевой колонки и вал-шестерня соединены друг с другом торсионом. При повороте рулевого колеса торсион и таким образом входной вал рулевой колонки скручивается относительно вал-шестерни на незначительный угол. Этот угол скручивания регистрируется датчиком. Угол скручивания является непосредственной мерой для измерения рулевого момента.

Для реализации функции усилителя рулевого управления применяется трёхфазный синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов (рис.5.1.21).

 

Этот тип двигателя выбран на основании следующих важнейших преимуществ:

• Синхронные электродвигатели отличаются малыми размерами при большой мощности;

• Использование возбуждения на постоянных магнитах делает ненужным щётки и контактные кольца для передачи на ротор тока возбуждения.

Необходимые напряжения по отдельным фазам рассчитываются блоком управления и затем реализуются силовыми выходными каскадами на обмотках статора. Статор состоит из девяти полюсных катушек. Катушки соединены последовательно, в три ряда соответственно по три штуки, и запитываются синусоидальным напряжением. Токи, протекающие через каждый из трёх рядов катушек, сдвинуты друг относительно друга по фазе. Магнитные поля трёх рядов катушек складываясь образуют вращающееся магнитное поле, вызывающее синхронное (с магнитным полем) вращение ротора.

Ротор состоит из шести постоянных магнитов, располагающихся с чередованием ориентации полюсов север–юг. Для улучшения плавности вращения ротора полюса его шести магнитов расположены наклонно.

Датчик положения ротора служит для определения положения ротора электродвигателя. Блок управления должен знать точное положение ротора, чтобы правильно рассчитать фазовые напряжения, необходимые для создание вращающегося магнитного поля статора (электронная коммутация с использованием сигналов датчиков). Сигнал датчика положения ротора используется также для определения приближения к одному из крайних положений рулевого механизма. В зоне непосредственной близости к крайнему положению степень усиления рулевого механизма «мягко» увеличивается, это позволяет избежать резких ударов об ограничитель при быстром вращении рулевого колеса.

На катушку возбуждения (рис.5.1.22) подаётся сигнал напряжения синусоидальной формы. Создаваемое катушкой магнитное поле действует на диск ротора. Диск ротора проводит магнитный поток создаваемого катушкой возбуждения переменного магнитного поля к приёмным катушкам. Тем самым в приёмных катушках наводится переменное напряжение, сдвинутое по фазе относительно напряжения в катушке возбуждения, причём этот сдвиг по фазе пропорционален положению роторного диска.

 

Работа усилителя происходит следующим образом (рис.5.1.23):

1. Усилитель рулевого управления включается в работу сразу, как только водитель повернёт рулевое колесо.

2. В результате усилия, приложенного к рулевому колесу, закручивается торсионный стержень, соединённый с валом-шестернёй рулевой колонки.

Датчик момента поворота рулевого колеса измеряет это закручивание, определяет по нему величину момента и передаёт эту информацию блоку управления.

3. Датчик угла поворота даёт текущее значение угла поворота рулевого колеса.

4. Блок управления в зависимости от момента усилия, приложенного к рулевому колесу, скорости автомобиля, числа оборотов двигателя и параметрической характеристики, заложенной в блоке управления, определяет величину необходимого поддерживающего усилия и включает электродвигатель.

Данные об угле поворота рулевого колеса и скорости используются, например, для корректирования прямолинейного движения.

5. Поддержка усилия для привода рулевого управления осуществляется посредством гайки на шариках с приводом от зубчатого ремня.

Привод данной гайки осуществляется от электродвигателя посредством зубчатого ремня.

6. Сумма усилия, прилагаемого к рулевому колесу, и силы поддержки от электродвигателя даёт результирующее усилие, которое прилагается к зубчатой рейке.

 

Работа усилителя при парковке, при движении в условиях города и по скоростной магистрали практически не отличается от работы электрического усилителя с двумя шестернями, рассмотренного ранее.

Система компенсации увода (называемая также системой компенсации управляющего момента (Torque Steer)) является новой функцией электрического усилителя рулевого управления для переднеприводных автомобилей.

Эта система препятствует уводу в сторону при разгоне автомобиля с мощным двигателем и различной длиной приводных валов (рис.5.1.24).

 

1. При поперечном расположении двигателя у переднеприводных автомобилей приводные валы заметно различаются по длине и имеют различные углы наклона, в результате чего при ускорении вращения колёс моменты вокруг вертикальных осей могут заметно различаться.

Эти моменты могут привести к уводу автомобиля.

2. В результате возникает сила, приложенная в направлении действия большего момента вокруг вертикальной оси.

3. Блок управления усилителя рулевого управления рассчитывает поддерживающее усилие, необходимое для компенсации увода, и включает электродвигатель.

4. Таким образом, необходимое поддерживающее усилие через ременную передачу передаётся на гайку, установленную на зубчатой рулевой рейке.

5. Действующее на рулевой механизм усилие создаётся исключительно усилителем рулевого управления.

Обратное подруливание при заносе является дополнительной функцией обеспечения безопасности в системе курсовой стабилизации ESP. Эта система помогает водителю стабилизировать положение автомобиля в критических ситуациях (например, при торможении на дорожном полотне с неоднородным сцеплением или при поперечном динамическом маневрировании) (рис.5.1.25).

 

1. При неоднородном сцеплении с дорожным полотном во время торможения возникают поперечные силы и заносы, которым нужно противодействовать поворотом рулевого колеса.

Водитель осуществляет подруливание для компенсации этих сил.

2. Датчик угла поворота измеряет, насколько водитель повернул рулевое колесо.

3. Через шину CAN эти сигналы передаются на блок управления системы ESP, который с помощью своих датчиков распознаёт критическую ситуацию. Затем он рассчитывает необходимое поддерживающее усилие для того, чтобы помочь водителю поворачивать рулевое колесо, и передаёт его значение в блок управления усилителя рулевого управления.

4. Блок управления усилителя рулевого управления включает электродвигатель.

5. Таким образом, необходимое поддерживающее усилие для рулевого управления передаётся через ременную передачу на гайку, установленную на зубчатой рулевой рейке.

6. Действующая на рулевую рейку сила состоит из суммы силы от момента на рулевом колесе и поддерживающей силы со стороны усилителя руля.

Электрический усилитель с коаксиальным расположением электродвигателя

Основой конструкции усилителя является электродвигатель, расположенный коаксиально «вокруг» зубчатой рейки, которая в этом случае представляет собой ходовой винт. Такая схема была выбрана потому, что она позволяет достичь высокой эффективности в сочетании с малыми размерами. Зубчатая рейка, электродвигатель, механизм винт-гайка с циркулирующими шариками, электронный блок управления и все необходимые датчики совмещены в одном компактном узле (рис.5.1.26).

 

Электродвигатель создаёт необходимый для усиления вращающий момент. В приводе используется трёхфазный синхронный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов.

Необходимые напряжения по отдельным фазам рассчитываются блоком управления и затем реализуются силовыми выходными каскадами на обмотках статора. Статор состоит из 12 полюсных катушек (рис.5.1.27).

 

Катушки объединены в три ряда по четыре катушки и запитываются синусоидальным напряжением. Токи, протекающие через каждый из трёх рядов катушек, сдвинуты друг относительно друга по фазе. Магнитные поля трёх рядов катушек, складываясь, образуют вращающееся магнитное поле, вызывающее синхронное (с магнитным полем) вращение ротора.

Ротор конструктивно представляет собой полый цилиндр, устанавливаемый на зубчатой рейке. В роторе имеются 10 постоянных магнитов, ориентированных попеременно северным и южным полюсами наружу.

Преобразование вращательного движения ротора электродвигателя в поступательное движение зубчатой рейки осуществляется с помощью механизма винт-гайка с циркулирующими шариками, описанного выше.

Гайка данного механизма жёстко связана с полым ротором электродвигателя. На другой стороне винта механизма имеется зубчатая рейка. При включении электродвигателя его ротор приходит в движение и вращает гайку. Тем самым ходовой винт / зубчатая рейка приходит в поступательное движение. В зависимости от направления вращения электродвигателя усиливающее действие рулевого механизма может быть направлено в сторону поворота колёс влево или вправо. Величина дополнительного, усиливающего момента рулевого механизма определяется силой тока, протекающего через катушки электродвигателя.

Основой для расчёта необходимого усиливающего момента рулевого механизма является значение момента, с которым водитель поворачивает рулевое колесо. Для определения этого момента служит датчик момента поворота рулевого колеса G269. Как и в обычном рулевом управлении с гидроусилителем, рулевой вал и вал-шестерня соединены между собой торсионным стержнем. Когда водитель поворачивает рулевое колесо, торсионный стержень закручивается. При этом рулевой вал оказывается повёрнутым относительно вала-шестерни на угол, величина которого зависит от момента, прилагаемого водителем к рулевому колесу. Датчик момента поворота рулевого колеса G269 измеряет этот угол.

Кольцевой постоянный магнит с восемью парами полюсов жёстко связан с рулевым валом (рис.5.1.28). Два зубчатых диска, с восемью зубьями каждый, жёстко соединены с валом-шестернёй. При этом эти диски повёрнуты друг относительно друга так, что если смотреть сверху (вдоль оси вала), то зубья одного диска будут находиться точно в промежутках между зубьями другого диска. Посередине между обоими дисками находятся два датчика Холла, жёстко связанные с корпусом датчика.

Когда рулевое колесо не повёрнуто, диски находятся в таком положении относительно кольцевого магнита, что их зубья стоят точно посередине между соседними полюсами магнита (северным и южным) (рис.5.1.29, а). Таким образом, через оба зубчатых диска проходит одинаковое количество магнитных линий от каждого из полюсов. Магнитное поле между зубчатыми дисками отсутствует. Оба датчика Холла передают одинаковый выходной сигнал.

 

Поворот рулевого колеса приводит к закручиванию торсионного стержня и, тем самым, к повороту кольцевого магнита относительно зубчатых дисков (рис.5.1.29, б). В результате поворота кольцевого магнита изменяется положение полюсов магнита относительно зубьев обоих дисков, зубья дисков больше не находятся посередине между соседними северным и южным полюсами. В зависимости от направления приложенного к рулевому колесу крутящего момента зубья одного из дисков будут в большей степени находиться напротив северных полюсов магнитов, а зубья другого — напротив южных. Это вызовет возникновение магнитного поля между обоими дисками, которое будет зафиксировано датчиками Холла.

 

Принцип действия электрического усилителя заключается в следующем.

1. Открывание двери водителя

При открывании двери водителя пробуждается шина FlexRay и запускается обмен данными между блоками управления. Блок управления J500 запускает процессы инициализации, выполняется самодиагностика системы.

2. Включение зажигания

Блок управления комбинации приборов J285 включает на короткое время, для проверки, контрольную лампу. Если неисправности обнаружено не будет, контрольная лампа через несколько секунд снова гаснет.

3. Запуск двигателя

Когда обороты двигателя автомобиля превышают 500 об/мин, активируется усилитель рулевого управления. Как только торсионный стержень не будет скручен вследствие приложения к рулевому колесу момента сил (распознаётся по сигналу датчика момента поворота рулевого колеса G269), выполняется синхронизация сигналов датчика угла поворота рулевого колеса G85 и датчика положения ротора. В памяти блока управления J500 в виде характеристики сохранена зависимость сигналов обоих датчиков друг от друга. Далее при движении автомобиля определение положения рулевого механизма осуществляется по сигналу датчика положения ротора.

При выборе характеристики усиления, применяемой при работе усилителя рулевого управления, блок управления учитывает выбранную настройку режимов движения.

4. Движение автомобиля (рис.5.1.30)

При движении автомобиля коэффициент усиления, с которым работает усилитель рулевого управления, определяется на основании момента и угла поворота рулевого колеса, а также скорости автомобиля. Блок управления рассчитывает необходимые значения токов питания электродвигателя, после чего силовые выходные каскады устанавливают эти значения тока в обмотках статора электродвигателя. Вращательный момент, который электродвигатель через механизм винт-гайка передаёт на зубчатую рейку, усиливает момент поворота рулевого колеса водителем.

 

5. Отключение усилителя рулевого управления

Если на продолжающем движение автомобиле будет выключен двигатель, то, когда скорость автомобиля снизится до 7 км/ч, усилитель рулевого управления выключится, с некоторой растяжкой по времени (чтобы избежать резкого скачка усилий на рулевом колесе).