Метаморфози рульового управління: Непроста доля «баранки»

Рульове управління - складний комплекс технічних і геометричних проблем, які і донині вирішуються автомобільними конструкторськими бюро.

Немудрено, що в поворотах у перших автомобілів виникали великі проблеми. Рульовим управлінням від карети конструктори самобіглих возів задовольнитися не могли. Збільшені швидкості робили кожен поворот ризикованим заходом. І все через те, що рульове управління не було влаштовано таким чином, щоб дозволяти внутрішньому колесу автомобіля бігти по меншому радіусу! Небажані навантаження на керовані колеса викликали їх ковзання і втрату керованості.

У 1889 році Готтліб Даймлер винайшов схему приводу рульового управління, при якій стійка управління могла розташовуватися не обов'язково строго над колесами, а незалежно від них у будь-якому зручному місці. Справді революційним винаходом стала створена 1893 року Карлом Бенцом рульова трапеція. Успішне вирішення складної для того часу технічної проблеми спонукало Бенца назвати свій новий автомобіль «Вікторія». Передні колеса тепер стали робити одного розміру з задніми, а не меншого діаметра, як раніше (щоб згладити огріхи в керованості). Керовані передні колеса в поворотах тепер бігли по різновеликих радіусах. Трохи пізніше було сформульовано правило Аккермана: для того щоб при русі автомобіля на повороті колеса його мали качання без бокового ковзання, вони повинні котитися по окружностях, описаних з одного центру, який називається центром повороту. У ньому перетинаються продовження осей всіх коліс. Для дотримання цієї умови внутрішнє по відношенню до центру повороту кероване колесо має повертатися крутіше, ніж зовнішнє колесо. Для одночасного повороту коліс на різні кути служить рульова трапеція. Автомобілем з рульовим керуванням, оснащеним трапецією, стало простіше керувати, крім того, вдалося мінімізувати знос шин - проте до ідеалу було ще далеко. Швидкості автомобілів постійно зростали, і винахідники були змушені працювати над поліпшенням їх керованості. Виявилося, що в повороті внутрішнє колесо має нахилятися відносно вертикальної осі всередину, а зовнішнє - назовні. Особливо добре це стало видно у «мерсів» випуску 70-х, коли інженери зі Штутгарта винайшли підвіску з небувалим кутом нахилу коліс у повороті. Саме відтоді керованість «мерседесів» вважається ідеальною з точки зору рульового управління.

Нахил повернутого колеса називають поздовжнім нахилом шкворня в площині, паралельної поздовжньої осі транспортного засобу. Нахил вимірюється в градусах і являє собою кут між вертикаллю і лінією, що проходить через центри повороту колеса. Ця лінія проходить через шарові опори верхнього і нижнього важелів підвіски («класика»), через верхню і нижню точки кріплення амортизаторної стійки (підвіска Макферсон) або по осі шкворня («Волга» - дуже стара «класика»), але тільки в поздовжній площині автомобіля, тобто при погляді на автомобіль збоку. Цей кут називають «кастор». Кастор може бути позитивним і негативним, він сильно впливає на керованість автомобіля.

При маневруванні і русі по прямій недостатній кастор - винуватець «тугого керма». Завдяки конструктивно закладеному «позитивному» кастору передні колеса самоцентруються при виході з крутого повороту. При повороті ж керма в бік занесення автомобіль ніби «хоче розпрямитися», а не закрутитися навколо своєї осі. Ця властивість допомагає водієві боротися з заметом задньої осі на слизькій дорозі.

Сучасне рульове управління має відповідати цілому комплексу вимог. Наприклад, за рахунок наявної жорсткості рульового управління автомобіль повинен реагувати на найменші повороти керма. Ще рульове управління має максимально демпфувати коливання, що неминуче передаються від коліс автомобіля на кермо при русі по нерівних дорогах. І тут знову відзначилися мерседесівські інженери. Вони забезпечили рульовий вал гумовими муфтами, що гасять поштовхи, а до рульової трапеції приборкали справжній амортизатор! Ось звідки ті незабутні відчуття від управління «мерседесами». У них на кермо не передається ні найменшої вібрації від коліс. Однак демпфування коливань не повинно призводити до втрати зворотного зв'язку в рульовому управлінні.

Ця проблема виникла у зв'язку із застосуванням підсилювача рульового управління. Для підвищення точності і швидкості водіння передавальне ставлення рульового механізму має бути досить великим. Але таке кермо крутити важко. Зі зменшенням передавального ставлення необхідне зусилля також зменшується, але зростає кількість обертів керма, необхідна для здійснення маневру.

Зберегти високе передавальне ставлення для точності рулення, але зробити кермо легким допоміг додатковий пристрій - рульовий підсилювач (power steering або power-assisted steering), що полегшує обертання керма. Він дозволяє крутити кермо буквально одним пальцем!

Це змусило конструкторів розробити правильні системи з нелінійною характеристикою, що роблять кермо важчим з набором швидкості. Електронний блок управління, пов'язаний зі спідометром, дає команду розподільчому клапану, і тиск у системі гідропідсилювача керма знижується. Якщо гідропідсилювач електричний, у справу вступають спеціальні соленоїди. Головна перевага електричного підсилювача - в економії палива на 2 − 5% порівняно з гідравлічним. Такі системи допомагають повертати кермо на автомобілі під час паркування, а при збільшенні швидкості ступінь посилення знижується. Таким чином, при русі з високими швидкостями забезпечується керування автомобілем у поворотах в оптимальному режимі. Рульове управління автомобіля складається з трьох основних вузлів. Це рульова колонка, рульовий механізм, що перетворює обертальний рух на поступальний, і тяги, що передають зусилля на поворотні пристрої коліс. У легковиках найпоширеніший рульовий механізм - шестерня/рейка, а гвинт/гайка і шарнір з рециркулюючими кульками частіше зустрічаються на важких машинах.

Ці типи рульових механізмів відповідають сучасним вимогам: відсутність люфта у всіх елементах, низьке тертя, висока жорсткість і можливість регулювань.

Правила наказують водієві перевіряти рульове управління перед кожним виїздом. Але може бути, в сучасних машинах воно стало настільки надійним, що потреба в цій архаїчній операції відпала?