Поворот в мозгах

СЕМЕЙСТВО ЗУБЧАТЫХ
Все существа делятся на семейства, виды и классы. По такому же принципу можно рассмотреть и рулевые механизмы. Один из вымирающих сегодня видов - узлы типа «глобоидальный червяк - ролик». Соединенный с рулевым валом червяк переменного диаметра передает усилие на ролик; тот связан коротким валом с сошкой, воздействующей на систему тяг - рулевой привод. Проверенная временем схема по сей день «обитает», например, на отечественной классике - «жигулях». В активе такой конструкции - низкая склонность к передаче ударов от дорожных неровностей, большие углы поворота колес, возможность передачи больших усилий. В пассиве - сложное хитросплетение тяг и шарнирных сочленений с вечно накапливающимися люфтами, «тяжелый» и малоинформативный руль. Минусы все-таки весомее плюсов. Ныне такие устройства практически не применяют.
Самый массовый вид - реечный рулевой механизм. Конструкция очень проста - шестерня на конце вала баранки перемещает вправо-влево зубчатую рейку, которая через наконечники толкает в нужную сторону колеса. Сейчас применяют и разновидности такой схемы с переменным шагом зубцов (в средней части они нарезаны с меньшим, чем на концах, шагом). При увеличении угла поворота передаточное отношение меняется, облегчая управление, например на парковке. Малая масса, компактность, невысокая цена, минимальное количество тяг и шарниров - все это обусловило широкое распространение. Помешать не смогла даже повышенная чувствительность к передаче дорожных неровностей.
Однако рейка, при всех ее достоинствах, стала популярной отнюдь не на всех автомобилях. На тяжелых все-дорожниках, таких как знаменитый «Гелендеваген», встречается схема «винт - шариковая гайка - сектор». По сути, она очень похожа на червячную, но есть и немало отличий. Рулем водитель вращает вал с винтовой канавкой, а надетая на него гайка с «нарезкой» на внешней стороне поворачивает зубчатый сектор вала сошки. Для уменьшения трения усилие с вала на гайку передается через шарики, скользящие в винтовой канавке между ними. Такой механизм гораздо сложнее и дороже в производстве, чем реечный или червячный, но потери на трение - меньше. Кстати, его чаще используют на тяжелых грузовиках и автобусах.
В истории были и иные схемы рулевых механизмов, скажем, «червяк -боковой сектор» или «винт - кривошип». Однако из-за низкой эффективности и сложности в производстве они не прижились.
СИЛА ЕСТЬ
Сегодня трудно найти автомобиль без усилителя рулевого управления. А впервые их применили на тяжелых грузовиках. Ведь чтобы повернуть огромные колеса, нужно было иметь очень накачанные мускулы. А легковым машинам усилитель нужен?
Задача не в том, чтобы крутить руль двумя пальцами на парковке. Есть и иной резон использовать устройства даже в малогабаритных машинках. Усилитель позволяет устанавливать рулевые механизмы с меньшими передаточными числами (без него это нагрузило бы руль), что улучшает точность и быстродействие конструкции.
Давно испытанный гидравлический усилитель широко применяют по сей день. Насос, приводимый от двигателя, создает рабочее давление в цилиндре. В реечном механизме поршни встраивают прямо в корпус рейки. В нужный момент давление в правом или левом контуре повышается, помогая водителю повернуть колеса. Управляет работой золотник, установленный на входном вале механизма, - при повороте руля он смещается, перекрывая определенные каналы для прохода жидкости.
Разновидность этой конструкции -электрогидравлический усилитель. Здесь гидронасос приводится не от двигателя, а от электромотора. У такого усилителя немало достоинств: он компактен, может работать при неработающем двигателе, питаясь от аккумулятора, но главное -электронасос включается, лишь когда водитель поворачивает руль. А это -экономия топлива. Некоторые автопроизводители уверяют, что можно снизить расход на 5, а то и 10%. Кроме того, благодаря отсутствию прямой связи с двигателем устройство не «ворует» его мощность, что особенно ощутимо на маленьких городских машинках со слабыми моторами.
Немало сегодня и электроусилителей. Управляющим элементом служит электронный блок, получающий информацию от датчика на рулевой колонке. Никакой гидравлики, а значит, даже минимальной вероятности течи. Электроусилители экономно расходуют энергию, к тому же очень компактны. Момент от электромотора можно передавать непосредственно на вал рулевого колеса, на вал шестерни реечного механизма или через винтовую гайку на саму рейку. Но, разумеется, есть и недостатки - существующие бортовые источники тока не могут обеспечить работу электромотора очень высокой мощности, пригодного для тяжелых машин.
ПОД «КОЛПАКОМ»
Как и прочие системы автомобиля, рулевое управление сегодня все чаще оказывается под контролем электроники. Ярчайший пример - активный руль (Active Steering) на БМВ. Баварцы, условно говоря, разрезали рулевой вал, а затем соединили его с помощью сдвоенного планетарного редуктора. Изюминка в том, что корпус редуктора может поворачиваться с помощью специального электродвигателя по команде электронного блока управления. Таким образом, в зависимости от скорости автомобиля компьютер меняет передаточное отношение рулевого механизма - оставляет его «затянутым» и чувствительным на шоссе и избавляет от необходимости крутить баранку на огромные углы при парковке. Нечто подобное появилось и на нынешнем «Ауди-А4».
Другие таланты вычислительных машин лишь сейчас начинают входить в нашу жизнь. Несколько компаний, скажем, «Ниссан» и «Ситроен», уже внедряют автоматического парковщика. Опираясь на показания ультразвуковых датчиков или видеокамер, «мозг» отдает команды исполнительным механизмам, которые сами крутят руль, втискивая машину в тесное пространство между другими автомобилями. Водителю остается лишь нажимать педали!
Некоторые пути дальнейшего развития видны уже сейчас. Все больше концептов, где все органы управления, в том числе и руль, не имеют прямой связи с исполнительными механизмами. Повороты баранки находятся под неусыпным контролем датчиков, которые передают информацию в центральный процессор. А он, в свою очередь, отправляет по проводам команды актуаторам - электромоторам, поворачивающим колеса. Похоже, до серийных машин с подобными устройствами уже недалеко.
МОЗГОВОЙ ШТУРМ
Что же по сути рулевое управление: может быть, даже мозг машины? Это уже не совсем преувеличение. Ведь не исключено, что скоро (по крайней мере в масштабах истории) место привычного руля займет нечто похожее на компьютерный джойстик, который окажется полностью под контролем электронного мозга. Ну а сможет ли он полноценно заменить мозг водителя, покажет лишь самое верное испытание - временем.