Гидроусилитель руля: от кораблей XIX века до нашего времени

На протяжении веков инженеры изобретали новые механизмы, чтобы увеличить человеческую силу для выполнения сложных задач. Сначала это были примитивные, но эффективные шкивы и рычаги, но по мере развития технологий на выручку человеку пришла гидравлика, которая нашла применение и в автомобильной индустрии — например, в гидроусилителе рулевого управления. Сегодня мы расскажем, как конструкторы пришли на помощь водителям, а Meyle помогает им поддерживать работоспособность этих гидравлических узлов автомобиля.

Гидроусилители на морских судах

Интересно, что конструкторы впервые задумались о применении усилителей рулевого управления в контексте морских судов. По мере индустриального роста XIX века они становились всё крупнее и тяжелее, при этом им требовалась манёвренность и точность управления. В 1866 году шотландский инженер Джон Грей решил проблему: сконструировал рулевой двигатель с паровым приводом, который мог приводить в действие руль направления. Кроме того, систему оснастили автоматическим регулирующим клапаном, который поддерживал руль направления в нужном положении. Впервые паровой усилитель испытали на пароходе SS Great Eastern, а затем перенесли и на другие суда.

Аналогичные системы разрабатывали и другие инженеры. Эндрю Браун, шотландский конструктор, известный своими разработками парового двигателя и гидравлического крана, позже придумал аналогичную концепцию «парового румпеля» — но расширил конструкцию Грея в 1872 году с помощью системы, которую в итоге назвали «телемотор».

В системе работала гидравлическая жидкость под давлением: она передавала команды из рулевой рубки в систему рулевого механизма. Так конструкторы смогли избавиться от сложных цепей, тросов или канатов. Такая схема значительно упростила систему. Телемоторы стали стандартом на десятилетия вперед, и даже сегодня их часто используют как резервный вариант управления на случай, если электронные системы корабля дадут сбой.

Гидроусилитель на заре автомобилизма

В начале XX века автомобилисты не особо нуждались во вспомогательных системах рулевого управления: вес в автомобилях с заднемоторной компоновкой приходился в основном на заднюю ось, шины были тонкими, и для маневрирования не приходилось прикладывать больших усилий.

Однако проблема была актуальна для коммерческой техники: управлять тяжёлым грузовиком было достаточно сложно. Тогда английский инженер Фредерик Ланчестер, который еще в XIX веке ввел многочисленные автомобильные инновации, задумался об автомобильном гидроусилителе руля — и в 1903 году представил патент по усовершенствованию механизма рулевого управления.

В своем патенте Ланчестер описал насос, который должен был гонять воду с ингибитором коррозии через клапаны в узел вращающегося барабана, а тот в свою очередь приводил в действие рулевой механизм. Ланчестер также размышлял об идее использования цилиндра и поршня для работы рулевого механизма — то есть по сути описал устройство примитивной гидравлической рулевой рейки.

Увы, разработки Ланчестера так и не нашли применение. Тем не менее, спрос на подобные системы начал расти. К началу 1920-х легковые машины стали быстрее, тяжелее и мощнее, а ради хорошего сцепления с дорогой стали использовать более широкие шины. Управлять автомобилями стало сложнее, водители стали утомляться в длительных поездках гораздо быстрее.

Некоторые производители пытались решить эту проблему: увеличивали диаметр руля, а также изменяли передаточные числа рулевого механизма, но такие меры вредили точности управления: обратная связь становилась вялой и нечеткой.

Первый прототип гидравлической рулевой рейки

Конструкцию, которая стала первой серийной системой рулевого управления с гидроусилителем, разработал американский инженер Фрэнсис Дэвис. До 1922 года Дэвис работал в автомобильной компании Pierce-Arrow, где проектировал грузовики, и хорошо знал, насколько сложно управлять тяжелым автомобилем. Тогда же он приступил к разработке системы, которая могла бы решить эту проблему.

В 1926 году знакомый Дэвиса, инженер Джордж Джессап установил эту систему рулевого управления с усилителем на родстер Дэвиса — Pierce-Arrow 1921 года выпуска. Система работала благодаря насосу, который подавал жидкость под давлением в гидравлический рулевой механизм. Сам насос работал благодаря двигателю.

Гениальность изобретения Дэвиса в том, что при работающем двигателе его система находилась под давлением жидкости постоянно. При отклонении рулевого колеса торсионный стержень между рулевой колонкой и редуктором начинал скручиваться. Это открывало отверстия, которые в зависимости от направления поворота направляли жидкость с левый или правый цилиндр усилителя. Давление в цилиндре увеличивалось пропорционально углу отклонения руля — чем сильнее он поворачивался, тем больше сквозных отверстий для жидкости открывалось.

Система показала себя превосходно, и новаторским решением заинтересовалась компания General Motors. Инженеры GM провели собственные испытания, после чего гигант подписал с конструкторами контракт на использование гидроусилителя в своих премиальных автомобилях Cadillac. Прототип серийного механизма был готов к 1933 году, однако из-за экономических трудностей, связанных с Великой депрессией, пришлось приостановить работу над передовыми разработками для люксовых автомобилей.

Тем не менее, идея продолжала жить и развилась параллельным курсом. Ещё в 1928 году британская инженерная фирма Vickers начала производство систем на основе разработок Фрэнсиса Дэвиса для применения в других технических сферах. Да и он сам продолжал совершенствовать свои наработки и постоянно подавал новые патенты на многочисленные инновации в гидравлическом рулевом управлении.

Во второй половине 30-х крупная американская технологическая корпорация Bendix взялась за собственную разработку систем рулевого управления с усилителем, ведь среди её заказчиков были и автопроизводители. Хотя GM поставила свою работу в этом направлении на паузу, представители Bendix убедили руководство её дочерней фирмы Buick заняться внедрением гидроусилителя на свои автомобили. Но снова не сложилось — начало Второй мировой отодвинуло работы по гражданским системам рулевого управления на второй план.

Распространение ГУР после войны

После войны американская экономика начала расти, и гидроусилитель руля наконец-то стал популярным нововведением на рынке гражданских автомобилей. В 1951 году компания Chrysler представила свою систему гидроусилителя Hydroguide, которую начали устанавливать на модель Imperial. Оказалось, что преимущество гидравлической системы не только в легкости управления, но и возросшей плавности хода — гидравлическая система частично поглощает энергию ударов от дорожных неровностей.

Сравнительная легкость рулевого управления с усилителем на низких скоростях также значительно облегчила парковку и маневрирование в городских условиях. Chrysler примерно в то же время внедрил рулевой механизм, который сократил количество оборотов от упора до упора с 5,5 до 3,5: автомобили стали быстрее реагировать на импульсы и стали более маневренными.

Chevrolet последовала примеру Chrysler в 1953 году: установили гидроусилитель руля на доступные автомобили, а к 1956 году каждый четвёртый автомобиль из Детройта продавали с гидроусилителем руля. Только в 1956 с конвейеров сошло бы более двух миллионов таких автомобилей.

В 1958 году компания ZF разработала ГУР для представительского седана Mercedes-Benz 300, но этот вовсе не стало началом массового применения этой технологии даже на грузовых автомобилях — только в середине 60-х новое трудовое законодательство для водителей большегрузов стимулировало появление ГУР на грузовиках. Легковые автомобили стали массово получать усилитель лишь в середине 80-х.

Любопытно, что система, первоначально разработанная Фрэнсисом Дэвисом без малого сто лет назад, сохранилась до нашего времени без каких-либо революционных изменений. Доработка касались в первую очередь облегчения конструкции и сокращения энергии, которую насос ГУР отбирает у двигателя для своей работы.

Как устроен ГУР сегодня, и как не допустить его поломки

Многие современные автомобили комплектуются электрическим усилителем рулевого управления, однако огромное количество автомобилистов всё ещё эксплуатируют машины с ГУР. В случае с иномарками возрастом более десяти лет могут возникнуть сложности с покупкой нового оригинального насоса ГУР — скорее всего, придётся выложить круглую сумму, а затем ждать доставки в течение нескольких недель.

Здесь на выручку и приходим мы с нашим набором для MEYLE-KIT для ремонта системы ГУР. MEYLE предлагает комплекты насосов ГУР для автомобилей Mercedes-Benz, BMW, Ford, Volvo и многих других. В комплект входит сам насос, который подбирается индивидуально под каждый автомобиль, а также фирменная гидравлическая жидкость, которая гарантирует правильную и надёжную работу этого агрегата.

Итак, в составе системы гидроусилителя руля насос, соединительные трубки, распределитель, гидроцилиндр и рабочая жидкость. Насос с ременным приводом создаёт давление в системе и направляет жидкость на другие её компоненты под давлением 100-120 бар. Распределитель на валу рулевого механизма принимает жидкость от насоса через трубопровод и подаёт его в гидроцилиндр или расширительный бачок. Сам гидроцилиндр находится непосредственно в рулевой рейке. Поршень и шток внутри цилиндра перемещают реечный элемент под давлением рабочей жидкости.

За многие десятилетия своего существования эта система зарекомендовала себя весьма надёжной и неприхотливой. Но как и любой другой механизм, ГУР требует регулярного обслуживания. В первую очередь важно следить за состоянием гидравлической жидкости и её уровнем — в противном случае детали насоса начинают быстро изнашиваться, давление во всей системе. Кроме того, металлическая стружка, которая постепенно вырабатывается деталями рулевой рейки, также засоряет насос и в конечном итоге приводит к его поломке.

Постепенно прозрачная жидкость ГУР темнеет из-за продуктов выработки подвижных деталей рулевого управления. Это явный признак того, что жидкость пора заменить. Источник: sailmaker/DRIVE2.RU

Важно помнить и о том, что в системе рулевого управления один неисправный элемент почти гарантированно приводит к поломке остальных компонентов. Например, сломанная рулевая рейка может привести к поломке насоса. По этой причине даже установка нового качественного насоса Meyle даст лишь временный результат — скорее всего, через несколько тысяч километров он разделит судьбу своего предшественника. Поэтому при замене нужно обязательно провести ревизию всей системы, убедиться в исправности рейки, герметичности шлангов и, конечно, обновить гидравлическую жидкость согласно нашим предписаниям.