Усилитель рулевого управления был даже на самых простых телегах, ведь лошадь тянула поворотную ось за собой. С появлением «самодвижущихся» экипажей проблема усилия на рулевом управлении стала крайне актуальной, и началось соревнование конструкторской мысли длиной в добрую сотню лет.
Необходимость
Первые паровые омнибусы в полной мере познали все прелести непосредственного управления рулевыми колесами. Классические методы в виде «румпеля» большой длины и различных цепных и тросовых редукторов пришли из судостроения, но их применение на машинах сравнительно малого размера не всегда было возможно, и конструкторам приходилось искать обходные пути. Часто встречались машины, на которых рулевое колесо поворачивали сразу несколько человек. Но еще в 1823 году Роберт Гюрней использовал оригинальную конструкцию, которую можно считать первым усилителем рулевого управления.
В ней человек поворачивал управляющие колеса небольшой тележки, которая дышлом соединялась уже с основной поворотной осью, и если омнибус двигался и сцепления оси хватало, то маленькая тележка поворачивала основную ось за собой. Таким образом, с управлением мог справиться один человек. Наверное, это первый засвидетельствованный случай применения такого рода механизма на транспорте. Как ни странно, схемы с пневматическим (паровым) усилением получили очень малое распространение – судя по всему, ввиду общего консерватизма конструкций.
Усиление на скорости побольше
Более легкие машины с ДВС поначалу обходились более простыми румпелями, ведь их масса была во много раз меньше, чем у сухопутных паровозов, а значит, и усилия на управляемых колесах было намного меньше. Позиции рулевого управления без усиления заметно улучшились после появления круглого рулевого колеса на модели Panhard 4hp в 1894 году – оно позволяло обойтись достаточно простым механическим редуктором, и при этом иметь вполне комфортное усилие на руле. А то, что крутить его нужно было быстро и много – проблема не великая: машины тогда почти не водили любители, это было ремеслом суровых профессионалов, которые ездили почти без света и без отопления. Патент на новую форму рулевого колеса оформил на себя Альфред Вашерон, и с 1898 года все машины марки Panhard имели круглый руль, а вскоре за ними последовали и остальные автопроизводители.
Но над проблемой усиления рулевого управления по-прежнему работали: например, в 1876 году Г.В. Фиттс запатентовал свою систему усиления рулевого управления, основанную на сложном механизме дифференциального механического усилителя с приводом через сцепление от мотора (US Patent: 175,601), но такая система так и не была реализована.
За ней последовали разработки Роберта Тьюфорда из Питтсбурга, который запатентовал свою систему в 1900 году (U.S. Patent: 646,477), и Фредерика Ланчестера, запатентовавшего гидравлический и вакуумный усилители рулевого управления в Англии в 1902-м.
Первые реальные попытки
Но эти разработки не были использованы в конструкции усилителя грузовика Columbia 1903 года выпуска – он был оснащен… электроусилителем рулевого управления! Так что если вы думаете, что электроусилитель появился недавно, то ошибаетесь – исторически он оказался первым реально работающим типом усилителя.
В период 1904-1927 гг. некоторые грузовые машины оснащались вакуумными и пневматическими усилителями рулевого управления. Точность такой конструкции оставалась низкой, но на грузовиках и тракторах она иногда применялась, поскольку скорости у них были невелики, а масса машин, тем не менее, заметно возросла. Связано это, в первую очередь, с простотой управления вакуумной системой. Более ранние патенты уже описывали устройство клапана-распределителя, регулирующего подачу жидкости или газа при отклонении рулевого колеса, а разрежение можно было брать прямо с впускного коллектора двигателя. Пневматические же системы на сжатом воздухе тоже встречались на машинах, где сжатый воздух использовали для привода тормозов и вспомогательных механизмов.
Талант и настойчивость – появление ГУР
Как и в случае с редукторами, гидравлические системы управления рулем появились в первую очередь на судах, и на протяжении Первой мировой войны не прекращались попытки применить нечто подобное на тяжелых колесных броневиках, тягачах и грузовых машинах. Но успех сопутствовал Фрэнсису Дэвису и его менее известному компаньону Джорджу Джессопу, усилия которых получили наибольшее признание. К моменту создания работающей схемы ГУР Фрэнсис был уже весьма опытным инженером: он закончил Гарвард в 1906 году и до 1922 года работал в подразделении грузовых автомобилей Pierce Arrow. Решая задачу упрощения гидравлики, он впервые отказался от систем, аккумулирующих давление жидкости и перешел на привод с постоянно работающим насосом, и к схеме с постоянно открытыми регулирующими клапанами. Это снизило давление, уменьшило число компонентов системы и тем самым усовершенствовало гидравлическую систему усиления до уровня, позволяющего начать ее серийное производство и устанавливать ее даже на скоростные машины. Инженер доверял своему детищу: он установил первый ГУР собственного производства на свой личный автомобиль Pierce-Arrow Roadster в 1925 году и доказал, что машиной стало не просто легче управлять. Гидравлика решала еще одну проблему – амортизировала вибрации от колес, передававшиеся на руль, и этим выгодно отличалась от любых систем, основанных на вакуумном или пневматическом приводе.
Не зря первой компанией, заинтересовавшейся в устройстве, стал именно Cadillac – ведь шестнадцатицилиндровые монстры не только ездили быстро, они еще и были очень тяжелыми. В 1934 году Дэвис стал работать на General Motors. Однако ввиду большой стоимости тонкой гидравлики и экономического кризиса, вызвавшего падение продаж автомобилей, гидроусилитель не стал частью стандартной комплектации автомобилей GM, а конструктор уже в 1936 ушел в компанию Bendix и там продолжал совершенствовать свою систему.
К 1939 году были разработаны системы гидроусиления дести типов, и две из них проданы корпорации GM для экспериментальной установки на автомобилях Buick. В 1940 году они были вновь востребованы на бронеавтомобилях Chevrolet, и в результате к концу войны более 10 тысяч машин были оснащены ими, а конструкция была действительно отлажена для массового производства.
После войны корпорация Chrysler начала разработку своего собственного усилителя на базе уже просроченного патента Дэвиса. Разработка была показана на модели Crysler Imperial, и получила название Hydraguide в 1951 году. Сразу после этого компания GM заключила сделку с Дэвисом об использовании его разработок на машинах ее марок, и к 1953 году по дорогам уже бегал первый миллион машин с гидроусилителями руля. Пожалуй, это тот случай, когда конкуренция безусловно полезна – к 1956 году каждый четвертый продававшийся в США автомобиль имел гидроусилитель, что неудивительно, учитывая рост массы и мощности.
А вот в Европе дела продвигались не так хорошо. Например, компания Цанрадфабрик, более известная как ZF, выпускала простые рулевые редукторы без гидроусилителей для машин с нагрузкой на ось до 6,5 тонн, а значит, даже водители тяжелых грузовиков тогда обходились без «помощников». Ситуация начала меняться только в середине шестидесятых, когда увеличение требований к труду водителей грузовиков привело к появлению спроса на системы гидроусиления. А вот на легковых машинах водители справлялись в основном своими силами вплоть до восьмидесятых годов, когда рост снаряженной массы машин, их скоростей, требований к безопасности и переход на передний привод, а значит и рост массы, приходящейся на переднюю ось, привели к необходимости внедрения усилителей рулевого управления даже на малолитражках.
Особенности конструкции
Конструкция гидроусилителя, предложенная Дэвисом, оказалась настолько удачной, что, по большому счету, мало изменилась до нашего времени.
Суть идеи Фрэнсиса Дэвиса состояла в том, что поток масла от насоса идет постоянно, а не только тогда, когда требуется создать давление. При повороте руля начинает скручиваться торсионный стержень, связывающий вал рулевой колонки и редуктор рулевого управления. При этом в золотниковом распределительном механизме открываются отверстия, направляющие жидкость от насоса в правый или левый рабочий цилиндр гидроусилителя. Чем больше закручивание торсиона, тем больше отверстий золотника открывается, и тем больше насос помогает вращать руль. Основные усилия в совершенствовании этой простой схемы были направлены на уменьшение потерь в системе привода, составляющих не менее 90 ватт даже на самых современных системах, обеспечение более комфортного регулирования усилия на руле, увеличение степени помощи при маневрировании на малой скорости и «утяжеление» руля на трассе.
Дальнейшие усовершенствования
Уменьшение затрат на привод шло по пути совершенствования гидравлики, насоса и его привода. Типичные затраты на привод – это потери на работу передачи, например, ремня (около 10 ватт), потери в насосе (для самых совершенных систем это 40 ватт в простое) и потери в распределительном механизме (это еще 20 ватт). Более ранние системы потребляли заметно большую мощность – так, отчет об испытаниях большого мотора V8 компании GM говорит о почти 500 ваттах потерь мощности при установке на мотор насоса гидроусилителя. Можете себе представить, каков был размер проблемы при использовании не вполне исправных или менее совершенных компонентов.
Для снижения затрат на привод насоса ГУР, когда усиление не требуется, и, собственно, регулирования степени усиления рулевого привода в первую очередь начали совершенствовать насос. Первые системы насосов переменной производительности пришли из систем гидропривода и оказались излишне сложными для массового применения на легковых машинах, но иногда встречаются на грузовиках. Конструкции могут быть различными – лопастными, радиально- или аксиально-поршневыми, но их все объединяет сложность и редкость, поэтому они не устанавливались на легковые машины ввиду большой массы, размеров и цены. Компактным вариантом такой конструкции является, например, насос ГУР Subaru, где шиберный насос имеет внешнее кольцо, которое может менять свое положение относительно центра ротора.
Тем самым уменьшается производительность и снижается нагрузка при необходимости. Недостатки такого решения знают все владельцы таких машин – если «обычный» насос работает десятки лет, то такая конструкция не только требует регулярной замены масла более высокого качества, но и часто имеет ресурс меньше пяти-шести лет. Из достоинств – отличное реактивное действие на руле на любой скорости и уменьшение затрат на привод.
Альтернативой этому решению стал электрический привод насоса ГУР, и в таком виде система устанавливалась на очень популярные у нас машины – например, Ford Focus II и Opel Vectra C. Впервые же такая система тоже была применена на машине марки Subaru: в 1988 году вышел Subaru XT6 с системой Cybrid. В Европе же первопроходцем стала «особо экономичная» версия популярного Golf 3 Ecomatic. Впрочем, в отличие от Subaru, машина не стала массовой, хотя она одна из первых была оснащена роботизированным приводом сцепления, системой старт-стоп и претендовала на звание «трехлитрового автомобиля» – популярной в середине девяностых идеи машины с расходом топлива в 3 литра на сто километров. Кстати, это один из самых редких вариантов Гольфа – их выпустили всего 4 тысячи штук.
Тем не менее, широкого распространения схема с электроприводом насоса не получила из-за сложности и высокой цены, хотя была заметно прогрессивнее схемы с насосом регулируемой производительности, например, позволяя снизить усиление до нуля, полностью исключить затраты на привод ГУР, когда он не нужен, а заодно использовать усилитель даже при заглохшем моторе.
Любопытную систему предложила компания ZF в 1989 году. Система Servotronic позволяла регулировать степень усиления рулевого управления при использовании обычного насоса с постоянной производительностью. В этом случае усовершенствовали золотниковый клапан рулевого управления, сечение каналов подачи жидкости регулировалось дополнительным поршнем, приводимым в действие электродвигателем по командам блока управления. Конечно, при этом не уменьшались потери мощности на привод системы, но зато рулевое управление можно было настроить очень точно. Такие системы применялись на некоторых европейских машинах премиум-класса (например, на BMW 850i) до 2001 года, когда производство систем свернули, выпустив более 12 млн штук.
В целом, историю собственно гидроусилителя можно на этом закончить – классическая конструкция применяется в одном из этих вариантов до сих пор и, вероятно, уже не изменится. Ее понемногу вытесняет электроусилитель, несомненно более прогрессивный, хоть и появившийся первым. Кстати, история вообще любит возвращения – например, «новейшие» электромобили были доминирующим видом транспорта в короткий период 19 века. Тогда они победили «паровички» и «поспели» раньше машин с более автономным ДВС, и порог скорости в 100км/ч впервые перешли именно на электромобиле.
От гидравлики к электрике
Электроусилитель исторически оказался первой системой такого рода и, похоже, вытеснит все остальные схемы усилителей рулевого управления в ближайшее время, если, конечно, его не сменит система управления drive-by-wire, о которой я расскажу чуть ниже. Установить мощный электромотор на рулевую колонку или непосредственно на рулевой механизм, а вместо золотникового распределителя на торсион рулевой колонки поставить обычный потенциометр оказалось настолько простой идеей, что примерно в таком виде это и было реализовано на грузовике в 1903 году. Но в те годы развитие электросистем сильно отставало от гидравлики и пневматики, надежность была низкой, да и генераторы появились на машинах на десять лет позже, так что первый электроусилитель питался, судя по всему, от аккумуляторов.
Новый технологический виток позволил применить полностью электрический привод рулевого управления без гидравлики на небольшой машинке Suzuki Cervo третьего поколения в 1988 году. Патент на систему был взят компанией Mitsibishi в том же 1988 году и предусматривал установку двигателя усилителя непосредственно на рулевую рейку.
Дальнейшее развитие таких систем пошло по пути увеличения мощности и надежности электрической части. Поначалу серьезной проблемой оказался перегрев электродвигателя при простой системе управления усилением. Но вскоре проблему решили за счет увеличения мощности компонентов, подбора оптимального типа двигателей и совершенствования алгоритмов усиления. Сейчас электрические усилители устанавливают не только на малолитражки, но и на крупные внедорожники, и проблемы с надежностью уже в прошлом. По сути, электроусилители надежнее классических гидросистем и к тому же позволяют куда лучше настраивать управляемость машины. Кроме того, без электроусилителя немыслимы системы самопарковки и автоматически управляемые машины.
С механической точки зрения мало что поменялось – изначальная схема с установкой мотора усилителя на рулевую рейку уже к запуску в производство претерпела изменения, и вся система устанавливалась непосредственно на вал рулевой колонки. В дальнейшем компания VW совместно с ZF разработала более совершенную схему, с расположением электродвигателя привода непосредственно на рулевой рейке и передачей усилия с помощью зубчатого ремня, что разгрузило рулевое управление от паразитных вибраций и сделало его настройку комфортнее для водителя. Сейчас большинство выпускающихся систем имеет подобную компоновку. Впрочем, развитие ЭУР продолжается и используются все варианты, и возможно появление новых и куда более оригинальных конструкций в ближайшем будущем – например, уже представлены варианты с линейным мотором привода рейки.
Совершенно без связи
Рассказ об усилителях рулевого управления будет неполным, если не упомянуть еще два интересных рулевых механизма, которые на самом деле «усилителями» в полном смысле слова не являются. Это именно сервоприводы рулевого управления, в которых механической связи рулевого колеса и рулевого механизма нет вовсе. Один из механизмов родом из 70-х годов и устанавливался на легендарный Citroen CX с 1974 по 1991 год, а второй совсем молод, презентован буквально в прошлом году на Infiniti Q50S и называется DAS. Разумеется, их названия являются аббревиатурами от французского Direction à rappel asservi и английского Direct Adaptive Steering. Не знающим французского подскажу: первая фраза переводится как «рулевое управление с контролируемым возвратом».
Французская система обязана своим появлением на свет уникальной гидропневматической подвеске колес и применяемым в ней технологиях. В машинах с такой системой установлен гидронасос, создающий давление, но не прокачивающий через себя много жидкости, а значит, не подходящий для работы обычного «классического» ГУР. Зато у него большое давление, и в системе используются гидроаккумуляторы, а значит, можно отбросить все наработки Ф. Дэвиса по упрощению системы и создать сервоуправление по образцу корабельного или самолетного, где руль почти не связан с рулевым механизмом и лишь управляет системой клапанов. Впрочем, в Ситроене при отсутствии давления связь все же появляется, только люфт в четверть оборота руля не позволяет использовать систему иначе как в аварийной ситуации. А когда все работает, колеса точно следуют повороту руля, на который не проходят ни удары, ни вибрации от колес и который сам стремится вернуться в нулевое положение
Усилие на руле при этом создается в зависимости от скорости движения машины специальной системой с электронным управлением и гидроприводом. Помимо сложности такая система еще и полностью лишает водителя обратной связи с дорогой, так что минусов у нее хватало. Зато ее ценили за комфорт – можно ехать хоть на трех колесах, все равно машина будет двигаться прямо. Разумеется, развития система не получила, устанавливалась она только на наследника модели – Citroen XM. Но зато в 2014 году идея получила достойное продолжение.
Об Infiniti вы, наверное, все уже знаете от нас же – тут начинка другая, полностью электронная, усилие на руле полностью искусственное, но точное. Машина сама умеет исправлять ошибки водителя и, конечно же, тоже не передает на руль «лишние» вибрации и шум. О достоинствах и недостатках можно дискутировать, но пока это тоже лишь дорогая игрушка, и до массового применения далеко, однако технология определенно заслуживает внимания.
Вместо заключения
К сожалению, за кадром остались такие интересные вещи, как полноуправляемые шасси и адаптивные рулевые механизмы с гидро- и электроприводом, но этим темам мы обещаем посвятить отдельные полноценные материалы.
