Как сломать усилитель руля

Мы знаем, что в машинах есть гидро- или электроусилители руля, и знаем, как это классно – крутить баранку тыльной стороной ладони. Но что там внутри? Почему, например, руль, вывернутый в крайнее положение надолго, может довести до серьезного ремонта? И почему некоторые машины самопроизвольно подруливают, провоцируя тяжелые ДТП?

Первыми появились гидроусилители руля. Принцип их работы очень прост: гидравлический насос приводится ремнем непосредственно от мотора и нагнетает давление. В рейке рулевого управления или рядом с ней имеется гидроцилиндр: когда давление подается в одну его полость, он толкает рейку влево, когда в другую – соответственно, вправо.

В современных автомобилях рейка рулевого управления и гидроцилиндр находятся в одном корпусе

По сути, самая хитрая часть гидроусилителя – это клапан, регулирующий подачу жидкости в зависимости от усилия на руле. В рулевой вал вживлен специальный торсион (цилиндрический валик), который может скручиваться под действием нагрузки. Конечно, это скручивание невелико и измеряется в долях градуса, поэтому вы его не ощущаете. В зависимости от направления и угла скручивания торсиона золотниковые клапаны, с ним соединенные, обеспечивают подачу жидкости в ту или иную полость гидроцилиндра, помогая вам вращать руль.

Многие гидроусилители не любят, когда вы выворачиваете руль до упора. У некоторых моделей этот режим предназначен для прокачки гидросистемы, у других приводит к перегрузке гидронасоса. Когда рейка рулевого управления доходит до упора, а гидроусилитель пытается сдвинуть ее дальше, давление возрастает до критического уровня. Естественно, у насосов есть перепускной клапан, который не дает им «заткнуться» совсем, но многие модели не рассчитаны на длительную работу в таком состоянии. Причем касается это даже дорогих машин: скажем, один владелец BMW X5 первого поколения рассказывал мне, как на выезде с парковки его застал телефонный звонок, и он остановился, вывернув руль до упора. Этого оказалось достаточно, чтобы насос стал издавать странные звуки и скоро попросил замены.

Уже в 80-х гидроусилители стали практически обязательной опцией для иностранных машин, но к началу нового века экологические заботы вынудили менять конструкцию. Главная проблема традиционного «гидрача» – постоянный привод насоса. Пусть в нулевом положении он работает с минимальным давлением, но жидкость все равно гоняется по кругу, а это приличные потери энергии. Поэтому возникла простейшая идея заменить привод насоса от двигателя электромотором.

Плюсы комбинированной системы: независимость частоты вращения насоса от двигателя, потому что в традиционной схеме ситуация получалась абсурдной. Ведь на стоящей машине нужна максимальная помощь усилителя, а обороты двигателя и насоса при этом минимальны. Чтобы справиться с этим, городили систему клапанов и ставили насосы повышенной производительности, увеличивая затраты на привод.

И тут уже остался один шаг до еще более простой идеи – электроусилитель. Зачем вообще нужна гидравлическая часть, если электромотор может сразу воздействовать на рулевой вал или рейку?

Принципиально схемы не отличаются. У электроусилителя тоже есть измеритель усилия, работающий по принципу скручивающегося торсиона, где угловое смещение фиксирует каким-нибудь датчиком (например индукционным). Электромотор может быть установлен прямо «вокруг» вала, хотя это не самый популярный вариант. Чаще электромоторы приводят рулевой вал через шестеренчатую передачу, либо воздействуют уже на рейку.

Разные компоновки электроусилителей компании ZF: первые две – с электромотором на рейке (винтовая и зубчатая передачи),
третья – с мотором на рулевом валу (через червячную передачу)

Как обычно, все просто лишь на бумаге. Вообще рулевое управление – очень интимная область, поэтому помощь от любого механизма должна быть дозированной, чтобы не сбивать водителя с толку. И вот на этой стадии у электроусилителей возникли проблемы.

Если у «гидрача» помощь водителю определяется давно изученными законами гидравлической динамики, то в случае с электроусилителем требовалась электроника, которая сможет рассчитать точное значение крутящего момента. Тем более у электромотора крутящий момент не постоянен и слегка колеблется при вращении ротора.

Первые электроусилители были настроены по принципу «чем больше, тем лучше», то есть обеспечивали избыточную помощь, отчего руль автомобиля казался непривычно легким. У некоторых моделей баранка была настолько неосязаемой, что, крутанув слегка, можно было заставить ее по инерции провернуться полтора оборота до крайнего положения.

Постепенно инженеры стали уходить от таких абсурдных настроек, но обратная связь по рулю долгие годы была проблемой электроусилителей. Заставить мотор точно дозировать момент при любых режимах работы (мелкие покачивания руля, быстрое вращение, езда в затяжном повороте, микрокоррекции) сложнее, чем кажется на первый взгляд.

Это можно было понять без подсказок: если садишься в машину и на скорости кажется, что руль никак не связан с колесами, значит у нее электроусилитель. Если рулевое тяжеловатое на парковке, зато обеспечивает прогрессивную обратную связь – «гидрач».

Как-то мы тестили предыдущий KIA Cerato Koup и Opel Astra GTC. «Кореец» с гидроусилителем понравился лучшим уровнем обратной связи,
но при слишком быстром вращении руля он внезапно тяжелел

Иной раз инженеры пытались решить проблему за счет добавления фонового усилия, чтобы водителю казалось, будто руль налит тяжестью. Но мозг не обманешь: искусственная затертость руля не дает нарастания усилия, поэтому помогает она разве что отфильтровать мелкие паразитные движения рук..

У некоторых моделей с электроусилителями руль не возвращался в ноль, зависая на небольших углах. Другие модели отличались размазанным чувство в нуле, третьи не обеспечивали постоянства обратной связи (руль мог внезапно полегчать посреди поворота, создавая ощущение скольжения передних колес). У некоторых моделей случались самопроизвольные микроподруливания, знакомые любителям игровых приставок с рулем, имитирующим обратную связь.

В общем, коль скоро речь идет о тонких материях – субъективных ощущениях человека – электроника не могла воспроизвести «естественные» настройки. Можно провести аналогию с ламповыми и цифровыми усилителями или цифровой фотографией и традиционной, на фотобумаге. Чтобы обеспечить нужную «теплоту» и «зернистость», требуется определенный алгоритм.

Но прогресс не стоит на месте. Проблемы электроусилителей были связаны, скорее, с молодостью технологии, ведь настройкой гидравлических систем инженеры занимались чуть ли не целый век. Управляющая электроника стала сложнее, а двигатели – более точными. Система начала учитывать не только усилие на рулевом валу, но и угол поворота руля, скорость движения автомобиля и другие параметры. Это позволило оптимизировать настройки, чтобы чувство руля стало более адекватным на всех режимах.

И знаете что? Дни гидроусилителей сочтены. Сегодня разница между двумя типами усилителей практически исчезла, а иной раз «гидрачи» даже уступают. Скажем, рулевое новых Skoda Octavia и Volkswagen Golf я считаю практически эталонным – очень легкое на стоянке, оно не размазано в нуле и обеспечивает отличные ощущения в поворотах. Между тем, в обоих случаях используются усилители.

Последний из Posche 911 (991) оснащен электроусилителем руля. Фирма решилась на такой шаг ради топливной экономичности,
но поклонники марки скучают по старому доброму гидроусилителю. Возможно, это лишь вопрос привычки

На электроусилители переходят даже спортивные модели, например BMW M3, Chevrolet Corvette и Porsche 911. Некоторые машины имеют разные типы усилителей руля в зависимости от комплектации, и журналисты Car&Driver провели замечательное сравнение BMW 528i (электроусилитель) и BMW 535i (гидроусилитель). Так вот, по субъективным ощущениям большинству тест-пилотов понравилась машина с электроусилителем. Инструментальное измерение уровня обратной связи на рулях машин также не выявило доминирования «гидрача»: он обеспечивал лучшую прогрессию по усилию и четкий ноль, но электроусилитель показал более высокую точность управления и линейность нарастания усилия. В конечном итоге все сводится к нюансам, которые важны лишь самым фанатичным гурманам.

Все еще встречаются машины с электроусилками с «онемелыми» рулями, но это, скорее, проблема конкретных моделей, а не систем вообще. Точно также сверхлегкие рули бывают и у гидроусиленных машин, если настройки подобраны неудачно.

Между тем электроусилители имеют массу достоинств. Экономия топлива – одно из них, но не единственное. Такие системы проще по компоновке и удобнее при монтаже, плюс лишены шлангов высокого давления, разрыв которых чреват серьезными последствиями. Некоторые «гидрачи» имели свойство «затыкаться» – при быстром вращении руля он внезапно дубел, из-за чего я несколько раз довольно ощутимо получал по пальцам (хорошо, не было более серьезных последствий). У электроусилителей подобных особенностей я не замечал. Наконец, такие усилители легче интегрировать в систему стабилизации, чтобы менять уровень помощи по еще более сложным алгоритмам.

Это фото публиковал журнал «За рулем» в 2008 году.
Фабула такая: на новой машине при скорости 50 км/час руль самопроизвольно открутился до упора...

Впрочем, случались скандалы и с электроусилителями, наиболее известный – с махачкалинскими узлами, который ставил на свои модели АВТОВАЗ. Хотя официально проблема не признана, форумы кишат сообщениями, что эти усилки часто входили из строя. Но это полбеды: иной раз на скорости они провоцировали самопроизвольное вращение руля. Вот он, главный минус электроусилителей: при глючной электронике они могут заняться отсебятиной, выворачивая руль туда, куда не просят. Причем «Калины» и другие Lada страдали от проблем с электроусилителями и после начала производства в Калуге и Дмитрове. Не хотели работать под капотом Lada даже узлы корейской фирмы Mando.

Цитата из «Авторевю»: «И вполне возможно, что мы бы смогли добавить еще километр-другой, если бы не отказал электроусилитель руля. Тот самый, фирмы Mando. Сначала он отрубился на время, но после перезагрузки методом выключения зажигания мы решили еще разок «переставиться». Рывок руля – и баранка встает колом! Даже на месте колеса не повернуть».

Похожие проблемы описывали в свое время и «За рулем», и Auto.mail.ru. Но, как я понимаю, речь о затянувшейся детской болезни электроусилков, которые постепенно вылечивает в том числе АВТОВАЗ.

А потому тренд нашего времени: лавинообразный переход на электроусилители. От них, казалось бы, один шаг до еще более продвинутых систем, когда рулевой вал вообще не связан с колесами, а управление происходит по проводам (steer-by-wire). Однако требования к надежности рулевого управления еще лет 10-20 не позволят заниматься подобным авантюризмом. Но для систем с полным или частичным автопилотом управление по проводам может быть вполне логичной идеей.