Obecnie prawie wszystkie produkowane samochody są wyposażone w hydrauliczne wspomaganie kierownicy (w skrócie GUR). Mechanizm ten pozwala znacznie zmniejszyć wysiłek kierowcy na kierownicy podczas prowadzenia samochodu, dzięki czemu jazda jest bardziej komfortowa.
Początkowo wspomaganie kierownicy było instalowane wyłącznie w samochodach ciężarowych i sprzęcie specjalnym, ponieważ opór przy zmianie położenia kół, zwłaszcza przy niskich prędkościach na takim sprzęcie, jest bardzo duży, kierowca po prostu nie mógł obrócić kierowanych kół bez znacznego wysiłku .
Teraz wspomaganie kierownicy jest również instalowane w samochodach osobowych. Ogólnie rzecz biorąc, w samochodach osobowych wysiłek potrzebny do skręcenia kołami jest niewielki, a jazda samochodem, który nie jest wyposażony we wspomaganie kierownicy, nie sprawia trudności. To znaczy, bez względu na to, jak bardzo ten mechanizm nie jest szczególnie potrzebny, ale ma jedną bardzo pozytywną cechę, dzięki której wzmacniacz w większości stał się powszechny w samochodach osobowych. Sprowadza się to do tego, że wspomaganie kierownicy pozwala zachować prostoliniowy ruch samochodu podczas eksplozji opony na osi napędowej, nie zapominając o pragnieniu osoby o maksymalnym komforcie.
Elementy wzmacniacza. Rodzaje wspomagania kierownicy
Ogólnie rzecz biorąc, głównym zadaniem wzmacniacza w samochodzie osobowym jest zwiększenie bezpieczeństwa, a dopiero potem zapewnienie komfortu.
Wspomaganie układu kierowniczego obejmuje kilka głównych elementów:
- pompa;
- dystrybutor;
- cylinder mocy;
- rurociągi łączące.
W sprzęcie zastosowano dwa rodzaje wspomagaczy hydraulicznych:
- Połączone (zintegrowane).
- Rozdzielony.
Połączony typ wyróżnia się tym, że dystrybutor i cylinder są zintegrowane z mechanizmem kierowniczym, co może znacznie zmniejszyć zużycie metalu przez konstrukcję i uczynić ją bardziej zwartą. Dzięki temu rozpowszechnił się m.in. w samochodach osobowych.
Oddzielny typ był używany w wielu ciężarówkach. Jego osobliwość polega na tym, że cylinder napędowy jest oddzielnym elementem współpracującym z napędem kierownicy. Ale z powodu tej decyzji konstrukcja wspomagania kierownicy okazała się bardziej kłopotliwa, więc nie jest stosowana w samochodach osobowych.
Pompa
Już z nazwy wzmacniacza wynika, że głównym elementem roboczym w tym mechanizmie jest ciecz. Ponieważ jest nieściśliwy, po wytworzeniu ciśnienia można uzyskać siłę, która spełni wymaganą funkcję.
I to ciśnienie jest wytwarzane przez pompę. W prostszym schemacie mechanizmu pompa jest napędzana paskiem. Ten element konstrukcyjny może być przekładniowy (mniej popularny typ) lub obrotowy (inaczej ostrzowy). Najczęściej druga opcja jest używana w samochodzie.
Urządzenie hydraulicznej pompy wspomagającej typu obrotowego jest bardzo proste. Jego głównymi elementami jest obudowa z króćcami wlotowymi i wylotowymi oraz wał, na którego jednym końcu zamontowane jest koło pasowe napędowe, a na drugim wirnik z łopatkami. Wirnik ten znajduje się w komorze o specjalnym kształcie - stojanie (jego rolę pełni korpus). Dzięki takiemu kształtowi stojana wtryskiwana jest ciecz, która jest następnie podawana do króćca wylotowego prowadzącego do rozdzielacza.
Pompa łopatkowa wspomagania kierownicy
Wadą pompy napędzanej wałem korbowym jest zmiana generowanego ciśnienia w zależności od prędkości obrotowej silnika. Z tego powodu siła generowana przez wspomaganie kierownicy przy niskich prędkościach jest niewystarczająca, a przy dużych jest nadmierna, co prowadzi do pojawienia się efektu „pustej kierownicy” („sprzężenie zwrotne” kierownicy jest nieobecny, więc zawartość informacyjna układu kierowniczego jest bardzo mała).
Zasada działania pomp zębatych i rotacyjnych
Aby wyeliminować tę wadę, w urządzeniu hydraulicznej pompy wspomagającej znajduje się regulator ciśnienia, który utrzymuje ją na określonej wartości. Działa bardzo prosto - po przekroczeniu ciśnienia regulator poruszając się otwiera kanał obejściowy pomiędzy kanałami dolotowym i wylotowym i część ciśnienia zostaje uwolniona.
Dystrybutor
Ciecz pod ciśnieniem wytwarzanym przez pompę jest dostarczana do dystrybutora. Zadaniem tego elementu kompozytowego jest rozprowadzenie przepływu płynu w zależności od położenia kierownicy. Zawór suwakowy typu obrotowego jest najczęściej stosowany w samochodach osobowych. Ten zespół jest pośrednim ogniwem między wałem kolumny a przekładnią kierowniczą.
Urządzenie rozdzielacza szyn
Dystrybutor składa się z dwóch elementów - wałka i obrotowej szpuli. Elementy te osadzone są na drążku skrętnym, który łączy wał kolumny z przekładnią.
Do rozdzielacza nadaje się złączka zasilająca z pompy, przewód powrotny (przez który ciecz ponownie wraca do pompy) oraz dwa wyjścia prowadzące do siłownika zasilającego.
Schemat dystrybutora
Istota działania rozdzielacza polega na tym, że podczas obracania kierownicy opór pochodzący od kół powoduje skręcenie drążka skrętnego, co z kolei zapewnia obrót szpuli względem wałka rozdzielacza. Z tego powodu niektóre kanały otwierają się, a drugie zamykają, to znaczy przepływ cieczy jest redystrybuowany.
Cylinder
Siłownik działa jako element uruchamiający. W połączonym typie wspomagania kierownicy jest on w pełni zintegrowany z mechanizmem kierowniczym. Przekładnia kierownicza pełni rolę tłoka, na którym znajduje się dodatkowa podkładka z uszczelkami, a cylinder jest obudową. Tłok dzieli cylinder na dwie komory połączone rurociągami z dystrybutorem.
Zasada działania
A teraz o tym, jak to wszystko współgra ze sobą. Wspomaganie kierownicy jest zamkniętym mechanizmem, a płyn w nim krąży w kółko. Ale w niektórych trybach zmienia się ilość cieczy, więc takie spadki są kompensowane przez zbiornik wyrównawczy (jest to również zbiornik do napełniania). Zwykle ten zbiornik znajduje się na pompie, ale może być również zdalny.
Ogólnie rzecz biorąc, wspomaganie kierownicy ma dwa tryby działania:
- Ruch prostoliniowy. W tym trybie szpula łączy wszystkie odpowiednie dla niej kanały. Ciecz w rozdzielaczu jest natychmiast dostarczana do przewodu powrotnego i zawracana do pompy. Ponadto część jest podawana do obu komór cylindra mocy, zapewniając w nich równe ciśnienie;
- Zakręt. Gdy kierownica jest obracana, drążek skrętny jest skręcony, co prowadzi do przesunięcia szpuli względem wału. Rozważmy na przykład działanie mechanizmu podczas skręcania w prawo. A więc szpula obróciła się, dzięki czemu kanał zasilający i prowadzący do prawej komory cylindra hydraulicznego są połączone. W tym przypadku lewa komora jest podłączona do linii powrotnej. Przepływ cieczy w prawej komorze zaczyna wywierać nacisk na tłok, co zwiększa siłę. Z lewej komory, dzięki czemu nie ma oporów na ciśnienie, ciecz przepływa przez rozdzielacz i wpływa do pompy. Jednocześnie, jeśli kierownica nie zostanie obrócona do końca, ale tylko częściowo i pozostawiona w tej pozycji, drążek skrętny rozwinie się. Doprowadzi to do powrotu szpuli do pierwotnego położenia - połączenie wszystkich kanałów i ciśnienie w komorach siłownika wyrównają się, ale już z uwzględnieniem aktualnego położenia zębatki wraz z tłokiem.
Schemat działania zestawu hydraulicznego z zaworem Servotronic (standardowe układy różnią się tylko brakiem zaworu ograniczającego i Servotronic)
Przy skręcie w lewo działanie rozdzielacza jest odwrotne do opisanego. Oznacza to, że płyn pod ciśnieniem jest dostarczany do lewej komory cylindra. Jak widać, główna praca wspomagania kierownicy spoczywa na dystrybutorze.
Pozytywne i negatywne cechy
Niektóre pozytywne cechy zastosowania wspomagania kierownicy w konstrukcji układu kierowniczego zostały już wymienione, ale są też inne. Ogólnie rzecz biorąc, zalety obejmują:
- Poprawa bezpieczeństwa (wspomaganie kierownicy pozwala na utrzymanie samochodu w przypadku wybuchu opony podczas jazdy);
- Zmniejszony wysiłek wymagany do wykonania lub utrzymania manewru;
- Zmiana przełożenia mechanizmu kierowniczego (aby obrócić koła pod pewnym kątem, należy obrócić kierownicę mniej niż w mechanizmie bez wspomagania kierownicy);
- Komfort jazdy.
Wady wzmacniacza są mniejsze, ale są dość znaczące:
- Wspomaganie kierownicy to dodatkowy mechanizm, ponadto jest złożony konstrukcyjnie i wymaga konserwacji;
- Niektóre elementy są bardzo wrażliwe na zanieczyszczające cząsteczki, więc niewłaściwe użycie może prowadzić do pęknięcia;
- Pompa napędzana wałem korbowym „przejmuje” część mocy silnika;
- Wzmacniacz działa tylko wtedy, gdy silnik pracuje.
Należy zaznaczyć, że dzięki zamontowaniu rozdzielacza w mechanizmie kierowniczym możliwa jest kontynuacja jazdy nawet w przypadku awarii jednego z elementów wspomagania kierownicy lub rozszczelnienia. W każdym razie drążek skrętny przeniesie obrót z wału kolumny na koło zębate mechanizmu, dzięki czemu samochód zachowa kontrolę, ale siła działająca na kierownicę wzrośnie.
Kolejną wadą tego mechanizmu jest zależność od prędkości obrotowej wału korbowego. Rozwiązaniem tego problemu i kolejnym etapem rozwoju wspomagania kierownicy był wzmacniacz elektrohydrauliczny.
Jego osobliwość polega na tym, że napęd jest realizowany z oddzielnego silnika elektrycznego, który jest zawarty w konstrukcji pompy. Pozwala to nie tylko utrzymać ciśnienie na wymaganej wartości we wszystkich trybach pracy silnika, ale także zapewnić działanie wspomagania kierownicy nawet wtedy, gdy silnik nie pracuje.
Dodatkowo wspomaganie elektrohydrauliczne jest sterowane przez ECU. Oznacza to, że mechanizm dostosowuje się do określonych warunków jazdy, tworząc optymalną siłę na kierownicy i zapewniając dokładny przekaz informacji - „sprzężenie zwrotne”. W tym celu ECU zbiera dane z szeregu czujników, na podstawie których steruje pompą i dystrybutorem.
Pomimo faktu, że wzmacniacz hydrauliczny jest strukturalnie znacznie bardziej skomplikowany niż inny typ wzmacniacza - elektryczny, ze względu na zapewnienie „sprzężenia zwrotnego” jest bardziej preferowany, dlatego jest częściej używany.