Электропривод руля

8. Рулевой электропривод. Требования и принцип построения

8. Рулевой электропривод. Требования и принцип построения.

Руль, рулевая машина, элементы управления, защиты и контроля составляют рулевое устройство судна. Рулевое устройство предназначено для обеспечения управляемости судна: удержания его на заданном курсе, изменения курса и маневрирования. Для привода руля используют ЭД, которые в сочетании с передаточным механизмом и органами управления образуют рулевой электропривод.

Классификация РЭП.

Основным классификационным признаком является тип передачи крутящего момента от электропривода к баллеру руля. В практике применяются приводы двух основных типов: механические и гидравлические.

Механические приводысостоят из систем зубчатых передач, дающих постоянное или почти постоянное передаточное число от баллера руля к валу двигателя. Механические приводы подразделяются на:

- винтовые;

- секторные, применяемые главным образом на судах транспортного флота;

- штуртросовые, имеющие электрическую рулевую машину, устанавливаемую в рубке, и тросовую передачу от неё к баллеру руля. Эти приводы используются преимущественно на речных судах.

Гидравлические приводыполучили наибольшее распространение и являются основными на всех судах нашего флота. Эти приводы могут быть разделены на две группы:

- приводы с постоянно установленной гидравлической системой управления и изменением направления движения жидкости путем реверсирования двигателя;

- приводы с насосом переменной производительности, в которых при постоянном направлении вращения двигателя, соединенного с насосом, изменяется направление движения жидкости в системе путем регулирования в самом насосе. Эта группа приводов наиболее распространена.

Основные требования, предъявляемые к РЭП.

Рулевое устройство - одно из важнейших на судне. Выход этого устройства из строя ведет к потере управляемости, а иногда и к гибели судна.

Безаварийная работа рулевого устройства во многом зависит от надежности рулевого электропривода. Поэтому к РЭП предъявляют жесткие требования.

Рулевой электропривод должен обеспечивать:

- перекладку руля с борта на борт на полном переднем ходу судна за время не более 28 с;

- непрерывную перекладку руля с борта на борт на полном переднем ходу судна в течение 30 мин;

- длительную работу при ходе по курсу в режиме не менее 350 перекладок в час;

- изменение вращающего момента электродвигателя в пределах от 0 до 200% номинального;

- режим стоянки электродвигателя под током в течение 1 мин с нагретого состояния;

- безотказность, надежность и живучесть в течение всего периода эксплуатации судна;

- ограничение момента двигателя при перегрузке или заклинивании руля вплоть до его полной остановки и выхода его на автоматическую характеристику при прекращении перегрузки;

- автоматическое удержание руля на заданном курсе как при отрицательном моменте на баллере, так и при остановке привода без применения механических тормозов;

- удобство, простоту управления и постоянный контроль работы привода;

- возможность управления из разных мест: ходовой рубки, верхнего мостика, румпельного отделения;

- автоматическое ограничение предельных углов перекладки.

Рулевые электродвигатели работают либо в повторно-кратковременном, либо в длительном режиме, что зависит от вида передаточного механизма.

Так, механической передачесвойствен повторно-кратковременный режим с включением электродвигателя для каждой перекладки руля. Двигатели насосов переменной производительности электрогидравлических рулевых машин работают в длительном режиме с примерно постоянной скоростью, без реверса и без остановки в течение всего времени плавания судна.

Электродвигатели рулевых приводов с механической передачей должны иметь мягкие механические характеристики, так как это обеспечивает:

а) при заклинивании пера руля или заедании в механизме передачи переход двигателя в режим короткого замыкания с таким моментом на валу, который не вызовет поломки оборудования;

б) смягчение динамических усилий в электроприводе при ударах волн о перо руля;

в) замедление скорости двигателя с увеличением нагрузки, вызванным различными причинами, а стало быть, и ограничение потребляемой мощности.

Удовлетворению перечисленных требований способствует то, что в рулевых электроприводах с механической передачей применяются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, работающие в системе генератор - двигатель. Получение мягкой механической характеристики двигателя при этом обеспечивается противокомпаундной обмоткой генератора.

При гидравлической передачеможно использовать электродвигатели на постоянном и на переменном токе, но уже без ограничений в отношении степени жесткости механических характеристик, поскольку гидравлическое рулевое устройство само обеспечивает необходимую амортизацию ударных нагрузок и ограничение давления в системе в пределах допустимых значений. Наибольшее распространение для электропривода насоса переменной производительности получили при переменном токе - асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором типа АМ, при постоянном токе - двигатели типа П со смешанным возбуждением.

Режим работы рулевого электропривода зависит от хода судна. Во время выполнения судном маневренных операций рулевой перекладывает руль с борта на борт на максимальный угол. На этот режим работы и рассчитывают мощность двигателя, которая обусловливается значениями момента статического сопротивления заданного времени перекладки руля (скорости двигателя).

При ходе судна но курсу роль рулевого электропривода сводится к удержанию судна на заданном курсе, для чего производится частая перекладка руля (до 350 в 1 ч) па небольшой угол (обычно 4-6°). Такой режим работы, хотя и не вызывает больших моментов на валу, но может вызвать нагрев двигателя из-за многократных пусков и остановок.

Таким образом, двигатель рулевого электропривода рассчитывают с учетом обеспечения максимального момента и заданного времени перекладки руля с борта на борт при выполнении судном маневренных операций на полном переднем ходу. Выбранный двигатель проверяют на нагрев при работе в таком режиме в течение 30 мин. Иногда двигатель проверяют на нагрев при длительном удержании судна на заданном курсе, но обычно такая проверка, как и проверка на обеспечение заднего хода со средней скоростью, показывает значительный запас мощности двигателя, выбранного по результатам предыдущих расчетов. Поэтому от дополнительных проверок часто отказываются.

studfiles.net

Электроусилитель руля: принцип работы - Avtonov

Повальное внедрение электроники во все системы и узлы автомобиля не обошло и рулевое управление. Так появился электроусилитель руля (ЭУР), который существенно превосходит гидроусилитель по удобству и точности управления, безопасности и экономичности.

Блок-схема работы ЭУРСостав системы ЭУР

В состав системы входит электродвигатель, сервопривод, датчики крутящего момента и угла поворота руля, блок управления. Опционно может устанавливатья датчик скорости вращения руля. Электродвигатель — современный, бесщеточный. Конструкция сервопривода может быть различной, в зависимости от типа автомобиля (об этом ниже). Датчик крутящего момента — основной датчик системы. В разрез рулевого вала встраивается торсион. Элементы датчика устанавливаются на разных его концах. Принцип его работы может быть различным (например, магнитный или оптический).

Устройство датчика крутящего момента ЭУРБлок управления ЭУР

При повороте рулевого колеса происходит закручивание торсиона. Чем больше усилие — тем больше закручивается торсион. По величине изменения взаимного положения частей датчика оценивается величина приложенного усилия. Угол поворота руля также измеряется соответствующим датчиком. Кроме этого, блок управления получает данные о скорости автомобиля от системы ABS и об оборотах двигателя от контроллера. На основании этих параметров ЭБУ рассчитывает значение необходимого вспомогательного усилия на руле и подает на электродвигатель питание нужной величины и полярности. Электродвигатель через сервопривод либо вращает рулевой вал, либо перемещает рейку.

Конструкция ЭУР

Вариантов конструктивного исполнения узлов ЭУР существует множество. Для примера рассмотрим электроусилители, производимые одним из лидеров рынка компанией ZF под маркой Servolectric. В зависимости от типа автомобиля различаются и применяемые ЭУР. На субкомпактных и компактных легковых автомобилях усилители устанавливаются на рулевую колонку, на автомобилях среднего класса вспомогательное усилие передается на рейку с помощью дополнительной шестерни, а на внедорожниках и легких коммерческих машинах применяется так называемая «параллельноосевая» (paraxial) конструкция.

ЭУР для компактных автомобилейЭУР на рулевой колонке

На легких автомобилях большое усилие от ЭУР не требуется, поэтому и электродвигатель, и сервопривод получаются настолько компактными, что легко умещаются под рулем в салоне автомобиля. Заодно там же размещаются и датчики. Таким образом, вся конструкция надежно защищена от пыли, грязи и высоких температур подкапотного пространства, что благоприятно сказывается на надежности.

ЭУР для автомобилей среднего классаПривод ЭУР с двумя шестернями

На среднеразмерных автомобилях устанавливается ЭУР с двумя шестернями. Через одну шестерню на рейку передается усилие от руля, а через другую — вспомогательное усилие от электромотора.

Чтобы создать большое дополнительное усилие применяется ЭУР параллельноосевой конструкции. Для преобразования вращательного движения электродвигателя в линейное перемещение рулевой рейки используется зубчатоременной привод и механизм «винт — гайка на циркулирующих шариках». Гайка, вращаемая зубчатым ремнем, через шарики перемещает ось рейки. Шарики циркулируют по резьбе, возвращаясь через специальный канал в гайке.

ЭУР для внедорожников и минивеновУстройство параллельно осевого привода

При любом конструктивном исполнении в случае поломки водитель может продолжать безопасно управлять транспортным средством благодаря наличию механической связи между рулем и управляемыми колесами.

Возможности и премущества ЭУР

Главными преимуществами электроусилителя по сравнению с гидроусилителем являются экономичность и надежность. ЭУР не отбирает мощность у двигателя, что позволяет экономить от 0,4 л до 0,8 л на 100 км в зависимости от режима движения. Это, в свою очередь, снижает выбросы углекислого газа от 10 до 20г/км. ЭУР вступает в работу только при вращении руля, при движении по прямой он не потребляет энергии.Конструктивно электроусилитель компактнее и легче гидроусилителя и не требует обслуживания. Работа электроусилителя отличается более низким уровнем шума. Стоимость ЭУРа ниже, однако его ремонт обойдется гораздо дороже, потому что при поломке вышедшие из строя узлы меняются целиком.

Электронная «сущность» ЭУР наделяет его широкими возможностями по настройке значения вспомогательного усилия в зависимости от условий движения и типа транспортного средства. Чем выше скорость — тем меньше усилие и «тяжелее» руль. При желании водитель может отключить ЭУР от датчика скорости кнопкой на панели приборов. В этом случае руль постоянно «легкий», что облегчает вождение в городских условиях. Одна и та же модель электроусилителя может быть легко программно перенастроена для разных моделей автомобилей. ЭУР обладает функциями автовозврата руля в «ноль» и автоматического удержания колес в среднем положении (например, при разном давлении в шинах).

Интеграция с другими электронными системами автомобиля позволяет использовать ЭУР для:

стабилизации автомобиля, например, при резком объезде неожиданно возникшего препятствия;
удержания автомобиля на полосе движения;
помощи при парковке.

avtonov.info

Гидроусилитель руля (ГУР) против электроусилителя руля (ЭУР). Взвешиваем все «ЗА» и «ПРОТИВ»

Те, кому довелось обучаться азам водительского мастерства на автомобилях отечественного производства, таких к примеру как: "Москвич" или «копейка», помнят ощущения от управления этими автомобилями, в особенности их рулевое управление. Оно было напрочь лишено каких-либо вспомогательных приспособлений упрощающих поворот рулевого колеса.

С тех пор не мало воды утекло, а вместе с ней пережитки тех времен. Благодаря прогрессу современный автомобилист может стоя на месте одним пальцем поворачивать руль целого автобуса, не то что малогабаритного седана. Автомобилей не оборудованных усилителем руля сегодня уже не выпускают. Каждая новая машина оборудована либо гидроусилителем руля (ГУР), либо электроусилителем руля (ЭУР) о том, что из себя представляют эти устройства, чем отличаются друг от друга, а также недостатках каждого из них пойдет речь в сегодняшней статье.

Немного истории...

Если на легковушках руль хоть как-то можно было повернуть, то на грузовых автомобилях это проблема стояла довольно остро. Светлые умы конструкторов сумели разработать специальный гидравлический механизм, который позже был внедрен в систему рулевого управления и существенно облегчал вращение рулевого колеса. Однако целью для конструкторов было не только снять нагрузку с рук, но еще уменьшить вибрации передаваемые от колес к рулю во время езды по неровностям. Электроусилитель руля также позволил улучшить безопасность водителя, так как в случае повреждения шины переднего колеса благодаря ГУР автомобиль сохранял заданную водителем траекторию движения.

Первым обладателем гидравлического усилителя руля в СССР стал легковой автомобиль – ГАЗ «Чайка».

Через несколько лет ГУРы стали появляться и на обычных серийных автомобилях "для народа". Что характерно, западные легковушки начали оснащаться гидроусилителями руля за долго до того как он появился на наших "ВАЗах" и "Москвичах". Шло время, инженеры все больше убеждались в несовершенности конструкции гидравлического усилителя рулевого управления и принялись искать способы улучшения этого агрегата. К сожалению или к счастью эволюционировать ГУР не сумел, т . к. у него появился полноценный электро-конкурент. Инженеры решили, что применение электрики, а не гидравлики позволит получить новые возможности и устранить массу недочетов присущих ГУРу. Изобретенный электрический усилитель руля (ЭУР), устанавливаемый сегодня практически на многие модели, как бюджетного так и более дорогого класса, пришелся по душе автомобилистам, однако были и те, кто не желал принимать "ноу-хау" и твердо убежден в том, что гидроусилитель лучше чем электроусилитель руля. Чем же они отличаются и каковы конструкционные особенности ГУР и ЭУР? Давайте разбираться.

Как это работает?

Гидроусилитель руля (ГУР)

Что такое гидроусилитель руля? Это — система, состоящая из трубопроводов высокого и низкого давления, в которых благодаря насосу циркулирует специальная жидкость. Для жидкости ГУР предусмотрен бачок, соединенный с насосом. Когда вы поворачиваете руль в системе гидроусилителя происходит целый ряд реакций. Жидкость подается в рулевой механизм через распределитель под высоким давлением. Нагнетаясь в гидроцилиндр, она создает давление на поршень, под воздействием которого тот смещается, снижая степень усилия прилагаемого водителем при повороте рулевого колеса. Во время движения по прямой траектории жидкость ГУР оттекает из рулевого механизма в бачок системы.

Электроусилитель — это набор механизмов, среди которых главная роль отведена электромотору, кроме того в состав ЭУР входит электронный блок управления (ЭБУ), а также два датчика (датчик угла поворота и датчик крутящего момента). По сравнению с гидроусилителем, ЭУР устанавливается непосредственно на саму рулевую рейку или колонку, при этом передача крутящего момента осуществляется посредством торсионного вала, встроенного в систему рулевого управления. В то время как ГУР меняет усилие прилагаемое к рулю при помощи давления и жидкости, которая циркулирует в системе, электроусилитель осуществляет все при помощи тока. При повороте руля крутящее усилие передается рулевому механизму по торсионному валу. Датчик крутящего момента ЭУР «понимает» это действие и сообщает о нем в ЭБУ. Электронный блок анализирует полученные данные и определяет, сколько именно тока необходимо "дать" электромотору, чтобы вращение руля было легким и приятным. Следует отметить, что расчет усилия происходит в зависимости от скорости, с которой движется автомобиль, а также угла поворота руля. Когда водитель крутит рулем на месте во время парковки или других маневрах, привод ЭУР нагружен максимально, поскольку необходимо обеспечить легкое вращение рулевого колеса в сложных условиях. Когда авто движется на высоких скоростях управление рулем становится более острым, так как электроусилитель значительно уменьшает силу крутящего момента, то есть меньше помогает водителю.

Теперь когда мы разобрались в принципах работы предлагаю выяснить, что лучше: ГУР или ЭУР, учитывая плюсы и минусы каждой из систем.

Преимущества ГУР

Гидроусилитель рулевого управления имеет более громоздкие габариты, однако плюс в его относительно невысокой стоимости и менее затратном производстве. Это в свою очередь так или иначе сказывается на стоимости транспортного средства.
Потенциал мощности. ГУРы сегодня устанавливают преимущественно на автомобили бюджетного класса, а также грузовые микроавтобусы и большие внедорожники. В случае с внедорожниками и микроавтобусами применение гидроуслителя руля можно объяснить тем, что эта система более мощная и способна выдержать большие нагрузки. Это, по сути, главное преимущество ГУР.
Вышеупомянутая невысокая стоимость.

Недостатки ГУР

Что до недостатков, то их у гидроусилителя намного больше по сравнению с ЭУР:

В автомобиле с ГУР не рекомендуется держать руль в крайнем положении дольше пяти секунд, так как это может привести к перегреву масла в системе и выхода гидроусилителя руля из строя.
ГУР требует регулярного обслуживания, не реже чем раз в два года. Владелец автомобиля с такой системой постоянно обязан производить замену жидкости в системе, контролировать ее уровень, проверять привод, шланги и насос на предмет подтеканий и трещин.
Третий недостаток — прямая зависимость от работы двигателя. Когда насос включается в работу, он так или иначе отбирает часть мощности у двигателя, а во время движения на высокой скорости по трассе это можно считать пустой тратой мощности, так как в данном случае ГУР практически не нужен.
В гидроусилителе нельзя настроить режимы работы в зависимости от скорости движения и условий.
Гидроусилитель хорошо выполняет свою работу на малых и средних скоростях, однако на высоких скоростях управление теряет "остроту" и водителю сложно выполнить резкий короткий маневр. Проще говоря, ГУР дольше реагирует из-за применения в нем дополнительных узлов, увеличивающих время отклика.

Преимущества ЭУР

Среди плюсов электроусилителя руля можно выделить следующие особенности:

Простая конструкция, следовательно простота в обслуживании. В ЭУР нет никаких шлангов, жидкостей или насоса, поэтому нет необходимости тратить время и деньги на периодический осмотр и обслуживание. Водитель должен следить только за состоянием подшипников качения.
Компактные размеры ЭУР экономят место, а в некоторых автомобилях интегрируются непосредственно в рулевой вал, который находится в салоне автомобиля, а не под его капотом. Это, как вы понимает, увеличивает его срок службы, поскольку находясь в салоне он не подвержен влиянию температур, влажности и прочих факторов сокращающих срок жизни ГУР.
Благодаря электроусилителю руля происходит экономия топлива, т. к. мотор ЭУРа в отличие от ГУРовского насоса включается только при повороте руля, кроме того он не напрягает двигатель и не отбирает у него мощность.
При помощи ЭБУ можно настроить режим работы электроусилителя под свои потребности и определенные условия эксплуатации.
Руль, на котором есть ЭУР можно держать в крайнем положении без ограничения по времени.
И, последнее, пожалуй, самое важное преимущество ЭУР, которое касается по большей мере гонщиков — более острая реакция руля во время движения на высоких скоростях.

Недостатки ЭУР

Электроусилитель руля является намного более прогрессивным устройством, однако и оно не лишено недостатков, среди которых:

Первым и возможно самым главным недостатком можно считать высокую стоимость.
Маленькая мощность электромотора, которая не позволяет устанавливать него на более тяжелых ТС (автобусы, кроссоверы, пикапы, грузовые авто). Хотя со временем этот недостаток будет устранен, так как конструкция ЭУР совершенствуется каждый год.

История усилителя рулевого управления - Колеса.ру

Не зря первой компанией, заинтересовавшейся в устройстве, стал именно Cadillac – ведь шестнадцатицилиндровые монстры не только ездили быстро, они еще и были очень тяжелыми. В 1934 году Дэвис стал работать на General Motors. Однако ввиду большой стоимости тонкой гидравлики и экономического кризиса, вызвавшего падение продаж автомобилей, гидроусилитель не стал частью стандартной комплектации автомобилей GM, а конструктор уже в 1936 ушел в компанию Bendix и там продолжал совершенствовать свою систему.

К 1939 году были разработаны системы гидроусиления дести типов, и две из них проданы корпорации GM для экспериментальной установки на автомобилях Buick. В 1940 году они были вновь востребованы на бронеавтомобилях Chevrolet, и в результате к концу войны более 10 тысяч машин были оснащены ими, а конструкция была действительно отлажена для массового производства.

После войны корпорация Chrysler начала разработку своего собственного усилителя на базе уже просроченного патента Дэвиса. Разработка была показана на модели Crysler Imperial, и получила название Hydraguide в 1951 году. Сразу после этого компания GM заключила сделку с Дэвисом об использовании его разработок на машинах ее марок, и к 1953 году по дорогам уже бегал первый миллион машин с гидроусилителями руля. Пожалуй, это тот случай, когда конкуренция безусловно полезна – к 1956 году каждый четвертый продававшийся в США автомобиль имел гидроусилитель, что неудивительно, учитывая рост массы и мощности.

А вот в Европе дела продвигались не так хорошо. Например, компания Цанрадфабрик, более известная как ZF, выпускала простые рулевые редукторы без гидроусилителей для машин с нагрузкой на ось до 6,5 тонн, а значит, даже водители тяжелых грузовиков тогда обходились без «помощников». Ситуация начала меняться только в середине шестидесятых, когда увеличение требований к труду водителей грузовиков привело к появлению спроса на системы гидроусиления. А вот на легковых машинах водители справлялись в основном своими силами вплоть до восьмидесятых годов, когда рост снаряженной массы машин, их скоростей, требований к безопасности и переход на передний привод, а значит и рост массы, приходящейся на переднюю ось, привели к необходимости внедрения усилителей рулевого управления даже на малолитражках.

Особенности конструкции

Конструкция гидроусилителя, предложенная Дэвисом, оказалась настолько удачной, что, по большому счету, мало изменилась до нашего времени.

Суть идеи Фрэнсиса Дэвиса состояла в том, что поток масла от насоса идет постоянно, а не только тогда, когда требуется создать давление. При повороте руля начинает скручиваться торсионный стержень, связывающий вал рулевой колонки и редуктор рулевого управления. При этом в золотниковом распределительном механизме открываются отверстия, направляющие жидкость от насоса в правый или левый рабочий цилиндр гидроусилителя. Чем больше закручивание торсиона, тем больше отверстий золотника открывается, и тем больше насос помогает вращать руль. Основные усилия в совершенствовании этой простой схемы были направлены на уменьшение потерь в системе привода, составляющих не менее 90 ватт даже на самых современных системах, обеспечение более комфортного регулирования усилия на руле, увеличение степени помощи при маневрировании на малой скорости и «утяжеление» руля на трассе.

Дальнейшие усовершенствования

Уменьшение затрат на привод шло по пути совершенствования гидравлики, насоса и его привода. Типичные затраты на привод – это потери на работу передачи, например, ремня (около 10 ватт), потери в насосе (для самых совершенных систем это 40 ватт в простое) и потери в распределительном механизме (это еще 20 ватт). Более ранние системы потребляли заметно большую мощность – так, отчет об испытаниях большого мотора V8 компании GM говорит о почти 500 ваттах потерь мощности при установке на мотор насоса гидроусилителя. Можете себе представить, каков был размер проблемы при использовании не вполне исправных или менее совершенных компонентов.

Для снижения затрат на привод насоса ГУР, когда усиление не требуется, и, собственно, регулирования степени усиления рулевого привода в первую очередь начали совершенствовать насос. Первые системы насосов переменной производительности пришли из систем гидропривода и оказались излишне сложными для массового применения на легковых машинах, но иногда встречаются на грузовиках. Конструкции могут быть различными – лопастными, радиально- или аксиально-поршневыми, но их все объединяет сложность и редкость, поэтому они не устанавливались на легковые машины ввиду большой массы, размеров и цены. Компактным вариантом такой конструкции является, например, насос ГУР Subaru, где шиберный насос имеет внешнее кольцо, которое может менять свое положение относительно центра ротора.