Рейкові кермові системи бувають різними. Механічна застосовується зрідка. Гідравлічна зараз поширена більше за інших. Популярність електричної постійно зростає. В кожної з двох останніх є свої плюси та мінуси, їх порівняння буде надано згодом. Крім того, на деяких машинах застосовується конструкція з електрогідравлічним підсилювачем. Його розробка — це доволі непогана спроба поєднати переваги обох систем так, щоб разом з тим виключити їх найбільш суттєві недоліки.
На малюнку зображена загальна схема рейкової системи керування з ЕПК. Умовні позначення: 1 — підсилювач; 2 — кермовий кардан; 3 — рейка.
ЕПК Opel Corsa. Умовні позначення: 1 — електродвигун; 2 — черв’ячна передача; 3 — колесо черв’яка; 4 — муфта ковзна; 5 — потенціометр; 6 — захисний кожух; 7 — вал керма; 8 — підключення датчика на кермовому валу для вимірювання крутного моменту; 9 — підключення електромотора.
Принципова конструкція підсилювача
Електричний підсилювач керма (скорочено — ЕПК; іноді його називають електромеханічним — ЕМПК) містить у собі:
- Кермовий вал. З’єднує кермо з рейкою.
- Торсіонний вал. Являє собою пристрій стеження. Вбудовується в розріз кермового вала.
- Безщітковий електромотор. Слугує для створення компенсуючого зусилля, яке допомагає водію в керуванні автомобілем.
- Електронний блок керування (скорочено ЕБК, інші назва — контролер). Отримує інформацію від датчиків та надсилає керівні команди.
- Безконтактний датчик для вимірювання значення крутного моменту (КМ). Його елементи монтуються на різних кінцях торсіона. Принцип дії може бути різним (оптичний, магнітний тощо). Це головний датчик системи, він вимірює викривлення торсіона і надсилає імпульс до ЕБК.
- Датчик, що визначає, на який кут повернуте кермо.
- Датчик положення ротора електромотора, дає можливість ЕБК точно регулювати роботу двигуна, щоб стабілізувати підсилення.
- Датчики швидкості, ABS і кута нахилу автомобіля. Даними елементами обладнані більш досконалі конструкції рейок з ЕПК.
ЕПК підключений до бортової системи автомобіля. Коли водій повертає кермо, то для роботи електромотора ЕПК може бути необхідний струм силою до 50 А. Щоб не розряджати АКБ на стоянці, при вимкненому ДВЗ робота підсилювача неможлива або значно обмежується, за чим стежить контролер (ЕБК). Останній вмикається після перемикання ключа запалення й одразу ж починає тестувати систему на наявність помилок.
Коли знаходиться якась несправність, то на панелі приладів запалюється ось така піктограма (див. мал.). За відсутності помилок ЕПК відразу починає повноцінно працювати.
Хід роботи ЕПК
Для зміни напрямку руху машини водій обертає «бублика». Одночасно з цим торсіон викривляється пропорційно зусиллю, що прикладене до керма. Датчик КМ фіксує зміну стану торсіона й надсилає до ЕБК сигнал відповідної потужності. Контролер аналізує вхідні сигнали від цього та інших датчиків. Прилади повідомляють про те, на який кут повернуте кермо, з якою швидкістю їде авто, які оберти розвинув двигун. Згідно отриманої інформації ЕБК розраховує значення допоміжного зусилля та його напрямок. Після цього він надсилає на моторчик підсилювача електричний струм потрібної величини й полярності, після чого той вмикається в потрібному напрямку з необхідною кількістю обертів і через сервопривід «допомагає» повертати передні колеса.
Залежність компенсуючого зусилля на рейці від показів спідометру
На малих та середніх швидкостях ЕБК працює у штатному режимі. Якщо ж швидкість авто помітно збільшується, то погіршується зчеплення коліс із дорогою. Щоб керування машиною залишалося безпечним, компенсуюче зусилля необхідно зменшувати. Ця турбота покладена на контролер, який отримує відомості про швидкість авто через окремий вхід. Чим вище швидкість, тим менше додаткова дія на рейку. Це складна залежність, для кожної моделі авто її розраховують індивідуально.
Зовнішній вигляд кермової рейки з ЕПК показаний на фото.
Варіанти виконання ЕПК
ЕПК може мати три варіанти виконання, які зображені на малюнку: ліворуч — для невеличких автомобілів; в центрі — для легкових машин середнього класу; праворуч — для позашляховиків, мікроавтобусів та мінівенів.
Умовні позначення: 1 — кермова колонка; 2 — підсилювач з черв’ячною передачею та ЕБК; 3 — проміжний вал; 4 — кермова рейка; 5 — торсіон; 6 — ЕБК; 7 — електромотор з сервоприводом «гвинт — кулькова гайка — рейка».
В якості зразка можна розглянути ЕПК ZF Servolectric. На компактних та субкомпактних легкових авто ЕПК не зобов’язаний створювати значне зусилля, тому застосовується черв’ячна передача, що принципово не відрізняється від тої, яка стоїть на ГПК. Головна відмінність полягає тільки в місці прикладання зусилля через інше розташування привода. Як наслідок, сервопривод з електромотором будуть настільки компактними, що їх разом із датчиками можна змонтувати під кермовою колонкою.
Таке розташування вигідне тим, що на систему не впливають високі температури під капотом. Вона захищена від пилу та бруду, тому працює більш надійно. З іншого боку, з’єднання рейки з валом керма потрібно робити більш міцним, ніж зазвичай, та й кермовий механізм не завадить поставити посилений, бо КМ зростає ще до того, як буде передаватися на шток рейки.
Схема рейкової системи керування з ЕПК, що має дві шестерні (для автомобілів середнього класу). Умовні позначення: 1 — датчик КМ; 2 — ЕБК; 3 — електродвигун; 4 — шестерня ЕПК (сервопривід); 5 — шток рейки; 6 — датчик вимірювання кута повороту «бублика»; 7 — торсіонний вал; 8 — шестерня основної пари.
На середніх авто моторчик підсилювача напряму діє на шток кермової рейки. Шестерня валу керма в постійному зчепленні зі штоком, який пересувається вздовж своєї осі. Тут зазвичай застосовують систему з двома шестернями. Через першу на головну зубчасту ділянку штока передається зусилля від керма, а через другу на додаткову ділянку — від електромотора ЕПК (див. мал. вище). Перевага даного варіанту в тому, що коли доведеться міняти електродвигун, це можна зробити без особливих складнощів.
На легкі комерційні автомобілі та позашляховики монтують paraxial — “паралельно осеву» конструкцію. Електромотор з рейкою виконані як одне ціле. В цьому випадку механізм «гвинт — гайка на кульках» з приводом на паску використовується для перетворення крутного моменту моторчика підсилювача в прямолінійний рух штока рейки. Зубчастий пасок обертає гайку, а вона через кульки пересуває шток рейки. Кульки рухаються різьбою, до гайки вони повертаються спеціальним каналом. Це розповсюджена конструкція, хоча, коли в електродвигуні трапляються проблеми, то полагодити механізм буває важко, якщо взагалі можливо.
Переваги та недоліки ЕПК
Позитив
ЕПК відрізняється численними перевагами, у порівнянні з ГПК, через що він стає все більш розповсюдженим:
- Проста конструкція. Те ж саме можна сказати про експлуатацію та обслуговування.
- Надійність як наслідок простоти. На доданок, через відсутність гідросистеми, не треба турбуватися через протікання, спрацювання деталей, тріщинах шлангів, забруднення робочої рідини тощо.
- Через ту ж саму причину (немає гідросистеми) відсутні проблеми з експлуатацією в зимовий час.
- Економічність. Оскільки підсилювач даного типу вмикається тільки на поворотах, то потужність у ДВЗ він не віднімає. Отже, в залежності від режиму руху, на кожних 100 км економиться від 0,4 л до 0,8 л пального. Крім того, немає необхідності заливати в систему гідравлічну рідину (вона теж коштує якихось грошей).
- Екологічність. Це наслідок попереднього пункту. В машини з ЕПК викиди вуглекислоти знижені від 10 г/км до 20 г/км.
- Коефіцієнт підсилення в обидва боки однаковий.
- Значний ККД, в порівнянні з насосом ГПК.
- Має більш компактний механізм.
- Легший, ніж ГПК
- Працює тихіше.
- Більш швидкий ремонт та обслуговування.
- Коштує дешевше.
Окрім перерахованих плюсів, ЕПК, за рахунок наявності електронного БК, відрізняється від ГПК більшими можливостями. Насамперед це стосується налаштування його роботи в залежності від типу ТЗ та умов руху. На міських вулицях водій може просто вимкнути датчик швидкості й отримати постійно легке кермо. Крім того, в ЕПК є функції автоповертання керма «в нуль» або утримання середнього положення коліс. Останнє має велике значення, якщо тиск у передніх шинах неоднаковий. Коли ж інтегрувати ЕПК з іншими системами, то можна використовувати підсилювач для допомоги під час паркування, утримання машини на заданій смузі або, за необхідності, обминути перепону, що виникла несподівано.
Негатив
На жаль, є в ЕПК і недоліки. В процесі проєктування нової моделі під час налаштування системи керування виникають певні труднощі. На бортову мережу машини додається навантаження. Потужність підсилювача невелика, тому для вантажівок та важких позашляховиків він не підходить. У випадку пошкодження підсилювача, його зазвичай доводиться міняти повністю, тому ремонт коштує дорожче.
І це ще не все. Можна відзначити кілька не надто очевидних мінусів, котрі, тим не менш, теж впливають на загальний стан справ. В рейковій системі керування з ЕПК важче отримати адекватний зворотній зв’язок на кермо від шляхового покриття. Коли машина рухається, ЕПК постійно активний, але характер його вмикання в роботу переривчастий. Як наслідок, утворюються екстратоки, через що електромотор швидше зношується.
Бортова мережа отримує ще один електронний прилад, а додатковий редуктор на електроприводі ЕПК ускладнює кінематичну схему керування автомобілем. Ці два фактори підвищують вірогідність відмови системи та ускладнюють її ремонт. (Незважаючи на це, загалом конструкція ЕПК все одно простіша, ніж ГПК. До того ж, перерахування факторів, що негативно впливають на надійність ЕПК, стосується передусім старих моделей. Для сучасних автомобілів це не надто актуально, бо виробники комплектують їх якісною та довго працюючою електронікою).
Що краще, ГПК чи ЕПК?
Оскільки позитивні та негативні риси електричного підсилювача розглядалися у порівнянні з гідравлічним, то немає рації розбиратися ще й в плюсах та мінусах ГПК. Висновки про те, що краще, можна зробити такі.
ЕПК не можна ставити на великі авто, ГПК таких обмежень не має. Відносно стиля керування ЕПК краще підходить для тих власників машин, які віддають перевагу спортивній динаміці за рахунок того, що він швидше спрацьовує. А ГПК краще для любителів більш спокійного пересування. Він же являє собою технологію, що перевірена десятиріччями, тоді як ЕПК удосконалився та вийшов на пристойний рівень відносно недавно. З іншого боку, ЕПК надійніший, а головне, прогресивний, багато хто зі спеціалістів впевнений, що за ним майбутнє. В експлуатації ЕПК простіший та дешевший, в ремонті — простіший та дорожчий. Зимою не вередує.
Кожен з підсилювачів має свої переваги та недоліки. Вибирати, як завжди, має той, хто купує машину. Загалом обидва варіанти непогані вже хоча б тому, що обидва забезпечують безпечне та комфортне керування.
