Роторний насос з розсувними пластинами (шиберний) гідропідсилювача керма: будова, принцип дії, переваги та несправності

На початку епохи автомобілебудування не було такого поняття, як підсилювач керма. Тому обертати «бублик» іноді було до того важко, що на деяких вантажівках цим займалися двоє людей. Сьогодні практично кожна автівка обладнана такою системою, серед яких найбільш поширена гідравлічна (ГПК). Одним з найважливіших її елементів є насос. У цій статті піде мова про легкові машини — ГПК у рейковому механізмі з кермовими тягами.

Двоконтурний насос ГПК Mercedes-Benz S-Class 2003

Яке місце в гідравлічному підсилювачу займає насос

На легкові автомобілі масового виробництва монтують переважно інтегровані версії ГПК, тобто вбудовані у кермовий механізм. Останній зазвичай буває рейковим. (Існує ще роздільний тип, де силовий циліндр зроблений у вигляді окремого елементу. Через це система виходить громіздка і використовується лише на вантажівках).

Інтегрований ГПК складається з таких вузлів та деталей:

1. Розподільник із системою дозуючих каналів. У розріз кермового валу вставлений торсіон (шток, що працює на скручування). Це пристрій для стеження, який сприймає зусилля від обертання керма та передає його на золотник у розподільнику. Чим більше кут обертання, тим дужче закручується торсіон. Як наслідок, в залежності від повороту керма, олива спрямовується до лівої чи правої камери силового циліндру. Якщо кермо нерухоме, торсіон із золотником не рухається і олива циркулює по малому колу «розподільник – бачок – насос».
2. Насос із регулятором тиску. У якості робочої в ГПК заливають рідину ATF (англ. automatic transmission fluid), хоча, взагалі-то це олива з присадками. Щоб система функціонувала як слід, в ній необхідно підтримувати високий (у середньому 80-140 бар) тиск, для створення якого і поставлений насос. Він отримує обертальний момент від двигуна автомобіля, що з’єднаний з ним через ремінь зі шківом. Отже, коли мотор заведений, насос працює постійно, незалежно від того, ввімкнений ГПК чи ні.
3. Розширювальний бачок із фільтром. У нього заливають робочу рідину, і він же служить для контролю її рівня. Для цього на кришці закріплений вимірювальний щуп, а на корпусі є спеціальні позначки. Фільтр усередині бачка захищає систему від можливого потрапляння у ATF пилу та бруду.
4. Силовий циліндр подвійної дії, у якому рухається поршень. Він зроблений у корпусі рейки, має місця для приєднання напірних трубопроводів. Олива може заповнювати будь-яку камеру з обох боків поршня. Щоб виключити протікання, вони закриті сальниками.
5. Поршень із сальником на рейці. Під тиском ATF, що закачана до однієї з камер, він штовхає рейку у ту ж саму сторону, в яку вона рухається через обертання керма. Як наслідок, складаються два зусилля: м’язова сила водія і тиск оливи на поршень. За рахунок цього керування полегшується настільки, що кермо можна «крутити одним пальцем». (Це, до речі, без перебільшення).
6. Трубопроводи. Слугують для транспортування оливи та поєднують всі елементи у єдину систему. Повинні витримувати високий тиск робочої рідини.

Крім вказаних елементів, ГПК має привідний шків з паском, деталі кріплення і т. ін.

Принцип роботи ГПК

Водій обертає кермо, золотник відкриває канали й спрямовує оливу у «потрібну» сторону. ATF заповнює одну з камер у робочому циліндрі й тисне на поршень, за рахунок чого «допомагає» повертати колеса. Якщо кермо нерухоме, олива до циліндру не надходить.

Як влаштований насос ГПК

Типи насосів

На легкові автомобілі іноді ставлять шестеренчасті насоси, але частіше зустрічаються лопатеві (шиберні, роторні, пластинчасті) моделі подвійної дії. Останні слова означають, що за один оберт валу всмоктування та нагнітання виконується два рази, за рахунок чого постачання на виході буде більш рівномірним. Вказане можливо через існування двох всмоктувальних та двох випускних отворів, рознесених між собою на 180^о. Це надійний насос із нескладною конструкцією та досить високою продуктивністю, що добре працює із в’язкими рідинами.

Насоси ГПК: шестеренчастий (ліворуч) та шиберний (праворуч)

Насос може бути одно- або двоконтурним. У першому випадку він обслуговує тільки ГПК, тому менш потужний. Такі моделі простіші й дешевші. У другому — працює ще й на гідросистему самовирівнюючої підвіски, тому відрізняється більш високою продуктивністю і коштує дорожче.

У деяких моделях насос зроблений разом із розширювальним бачком. Проте частіше має місце роздільне виконання, коли бачок монтують десь окремо у моторному відділку. У такому разі і деталі компонувати під капотом простіше, і насос знімати чи ставити легше.

Будова

Головними елементами лопатевого насосу є:

• Ротор з шиберами (лопатями), що здатні рухатися у пазах.
• Виконаний у корпусі чи окремо овальний статор.
• Розподільна пластина із впускними та випускними вікнами.

Ротор насаджений на вал та вставлений у заглиблення статора. Зверху ця пара закрита розподільною пластиною. Назовні на валу жорстко закріплений привідний шків. Також є запобіжний та перепускний клапани, датчики, ущільнення, патрубки, штуцери й інші додаткові деталі. Вся конструкція зібрана у герметичному корпусі, закрита кришкою та стягнута чотирма болтами.

З колінвалом двигуна насос з’єднується за допомогою клинопасової передачі (буває ще шестеренчаста, але її застосовують на середніх та важких вантажівках). Для приводу може використовуватися одиночний, здвоєний або поліклиновий пасок. Перші два типи зустрічаються зрідка. На легкові машини, невеликі комерційні вантажівки та мікроавтобуси зазвичай ставлять третій тип.

Регулятор тиску

Через те, що насос з’єднаний із двигуном автомобіля, створюваний ним тиск оливи безпосередньо залежить від частоти обертання колінвалу. Коли вона надто мала, то дія поршня ГПК на рейку недостатня, а коли велика — надмірна. Через це виникає ефект «порожнього керма», який проявляється у незначній інформативності системи керування через відсутність «зворотного зв’язку» між шляховим покриттям та «бубликом».

Для усунення цього недоліку у конструкції насоса передбачений регулятор тиску. Це фактично перепускний клапан. Якщо число обертів колінвалу значне і тиск робочої рідини надто великий, він відчиняє протоку між вхідним та випускним каналами, скидає частину оливи у бачок і за рахунок цього зменшує тиск. Скільки оливи піде через цей клапан? Вхідний та вихідний отвори у розподільчий пластині мають калібровані діаметри. Коли продуктивність насосу різко зростає, вся олива не встигає вийти у напірний патрубок — те, що залишається, прямує у бачок.

Крім перепускного, є ще запобіжний клапан. Коли тиск у системі ГПК зростає через несправності або забруднення робочої рідини, він відкривається й теж спрямовує частину оливи у бачок або до впускного патрубку. У багатьох сучасних моделях насосів для керування клапанами застосовують електроприводи з датчиками.

Темна ATF, яку давно слід поміняти

Принцип дії насоса ГПК

За рахунок овальної форми статора, між ним та круглим ротором виникають два серповидних резервуари. Отвори розподільної пластини розраховані так, що всмоктувальні вікна розташовані на початку кожного із резервуарів, а випускні — в кінці. Шибери вставлені із невеликими зазорами, тому здатні вільно рухатися у пазах ротора. Коли вони висунуті, між сусідніми елементами утворюються замкнуті об’єми (камери).

Біля всмоктувального вікна серповидна ділянка розширюється. В її початку шибери повністю засунуті в ротор, бо відстань між ним і статором мінімальна, як і об’єм камер між лопатями. В міру обертання ротора шибери висуваються, об’єм камер збільшується і створюється розрідження. За рахунок цього робоча рідина всмоктується у внутрішній простір, зачиняється між сусідніми лопатями і транспортується до випускного вікна. Перед ним серповидна ділянка звужується, шибери «ховаються» у пази, об’єм камер зменшується. Але об’єм рідини у них лишається той самий, через що тиск дуже зростає і досягає максимуму перед випускним вікном. Камери по черзі проходять повз випускне вікно, і рідина з кожної з них виштовхується у отвір з величезною силою.

Далі кожна камера підходить до наступного впускного вікна, і процес повторюється. Незначна частина оливи потрапляє у шиберні пази та змащує їх. За рахунок цього забезпечується вільних рух лопатей та їх надійне притискання до стінок статора.

Які вимоги ставляться до насоса ГПК

Насос ГПК, як і будь-який компонент сучасного автомобіля, повинен відповідати певним вимогам. Оскільки він отримує обертальний момент від основного двигуна машини і постійно працює разом з ним, то повинен мати відповідний ресурс (зазвичай він складає 100-200 тисяч кілометрів). В міру використання даний вузол зношується, але це не повинно знижувати його продуктивність.

Також не можна, щоб металева тирса, яка потрапляє у робочу рідину, різко погіршувала характеристики підсилювача. Відносно комфортності насос повинен працювати досить тихо. Ну і, звичайно ж, економічний аспект. Насос не повинен мати дуже складну конструкцію. Треба, щоб технологія його виготовлення була не надто дорогою, щоб вона підходила для масового виробництва.

Переваги та недоліки насоса ГПК

Позитиву у шиберного насоса досить багато. Серед головних плюсів:

1. Надійний та довговічний.
2. Має просту конструкцію, компактний.
3. Досить велика продуктивність.
4. Широкий діапазон температур (від -400^оС до +2000^оС).
5. Високий, порівняно з іншими моделями, ККД.
6. Економічний, споживає мало енергії, недорогий в обслуговуванні.
7. Здатен перекачувати в’язкі (від 0,1 до 100 000 сСт) й абразивні (тверді частинки — до 500 мк) рідини.
8. Вмикається без попереднього заливання.
9. Працює тихо.

Хоча без негатива теж не обійшлося:

1. Вимагає високого ступеня точності виготовлення деталей.
2. Не здатен довго функціонувати без робочої рідини.
3. Коли заведений двигун авто, насос працює постійно.
4. Забирає частку корисної потужності мотору та підвищує витрату пального.
5. Тиск, створений насосом, залежить від кількості обертів колінвалу.

П. 1 в «негативі» пояснює, чому шиберні насосі намагаються не ремонтувати, а міняти. Їх деталі щільно припасовані одна до другої. За будь-якої несправності заміна любої з них у кращому випадку вирішує проблему тільки тимчасово. Ремонт доцільно робити лише тоді, коли треба поміняти ущільнення, заглушки, патрубки та інші другорядні «дрібниці». А з п. 2 можна зрозуміти, чому, коли із системи ГПК витекла робоча рідина, але конче потрібно доїхати до СТО, необхідно від’єднати насос. Якщо цього не зробити, то, працюючи «на суху», він повністю вийде з ладу.

Коли повітря потрапляє у магістраль, то, як зняти кришку бачка, добре видно бульбашки повітря та піну

Несправності насосів ГПК

Які фактори скорочують тривалість роботи насоса

Як вже було сказано, насос ГПК має великий ресурс. Проте його можна суттєво знизити. Цьому сприяють агресивний стиль керування, особливо на поганих шляхах, надто сильно натягнутий привідний пасок та утримання керма у крайньому положенні довше ніж на 5-10 секунд за високих обертів двигуна. Крім того, не рекомендована за характеристиками або невчасно замінена олива с продуктами зношення деталей забруднює систему та діє на металеві поверхні як абразив.

Ознаки того, що насос працює некоректно

Про те, що проблеми стосуються саме насоса, водій може здогадатися по зовнішнім проявам:

1. Насос видає нехарактерні звуки: гуде, виє, свистить, верещить, пищить і т. ін.
2. «Биття» керма, особливо на поганій дорозі.
3. Важке кермо, щоб повернути його у одну чи другу сторону, треба докласти певних зусиль.
4. Падіння рівня робочої рідини.
5. Плями оливи під капотом.
6. Бульбашки повітря у бачку.
7. Олива вичерпала свій ресурс. Коли капнути її на білу поверхню, вона буде непрозорою, темною, пінистою, з часточками бруду та стороннім, зазвичай горілим, запахом.

У деяких випадках (наприклад, п. 7) причина може бути не лише в насосі, а й у інших деталях ГПК.

Цей насос ніхто не буде ремонтувати

Причини, через які може зламатися насос

Коли насос сильно гуде, а після зняття кришки бачка у ньому добре видно піну та бульбашки, має місце потрапляння повітря у магістраль. Це трапляється, коли у корпусі тріщина, або пошкоджений трубопровід чи з’єднання. Те ж саме буде при надто зношений гумових шлангах, сальниках або ущільнювальних кільцях. Коли насос гуде постійно, це означає, що він не в змозі створити необхідний тиск. На те може бути багато причин — люфт на валові, нерівномірне зношення статора, зношення робочої пари, лопатей або підшипника валу. У останньому випадку за підвищення обертів гудіння посилюється. Якщо насос свистить на поворотах, то це означає, що привідний пасок слабко натягнутий або надто зношений.

«Биття» керма зазвичай буває через те, що заслабкий натяг паска приводу. Неприємний звук від насоса на легкому кермі під час повороту, а на прогрітому двигуні він вщухає — почала підтікати ATF. Трохи важке кермо та неприємний звук, що не замовкає навіть після прогрівання — стало протікати сильніше. Коли рідини мало, то рухомі деталі насоса погано змащуються, тертя збільшується, на металі з’являються потертості та задирання. Те саме буде, коли невчасно поміняти оливу. У такому випадку в ATF потроху погіршуються характеристики, а тверді частки, що до неї потрапили, починають працювати як абразиви. Вони стирають поверхні деталей та стають причиною завчасного зносу. Якщо кермо не крутиться зовсім, то можливо пошкоджений редукційний клапан, зносився корпус розподільника рейки або повністю вийшов з ладу насос.

Насос ГПК реагує на сильні поштовхи та удари по керованим колесам так само, як і будь-який інший вузол рульового керування. Тому неакуратне водіння здатне призвести до того, що десь щось застрягне, заклинить або зламається. Коли на високих обертах довго тримати кермо у крайньому положенні, насос перегрівається. Ну і, зрештою, механічне зношення. Зазвичай воно дається взнаки на малих обертах колінвалу та невеликих швидкостях. Через недотримання правил експлуатації ГПК та тривалого руху з низьким рівнем оливи зношення посилюється. Тоді насос починає вити, а кермо стає важким. Але навіть за дотримання усіх настанов після значного пробігу у парі ротор-статор буде велике зношення у місцях встановлення ущільнювачів, після чого ГПК почне відмовляти.

Як продовжити термін експлуатації насосу ГПК

Щоб насос ГПК відпрацював належний термін та не засмучував власника авто передчасним виходом з ладу, треба заливати рекомендовану оливу, стежити за її рівнем та якістю. А також контролювати стан ущільнень та патрубків, щоб у систему не потрапляв бруд, який здатен швидко перетворити ATF на абразив. Через перепони (горбки та ями) на дорозі слід проїжджати повільно, не «смикаючи» керовані колеса.

Коли кермо вивернуте, по можливості не треба «газувати», бо навантаження на гідравліку різко зростає. І взагалі, у крайньому положенні тримати кермо бажано не довше 5-10 секунд, інакше олива перегріється так, що може навіть закипіти, після чого система вийде з ладу. Не треба кидати машину на стоянці з вивернутими колесами, слід поставити їх рівно. І, головне, якщо раптом з’являться вказані вище ознаки того, що насос поламався, треба негайно звернутися на СТО. Коли сподіватися, що може «якось та само пройде», то з часом буде ще гірше.