Рулевое управление автомобиля
Знаете, как называется рулевое колесо у гоночного болида? Штурвал! А в наших автомобилях всего то – руль… Чувствуете разницу? Но оставим Шумахеру шумахерово, и поговорим что же такое рулевое управление, или рулевой механизм.
Система рулевого управления служит для управления автомобилем и обеспечения его движения в заданном направлении по команде водителя. Система включает в себя рулевой механизм и рулевой привод. Что бы представить себе работу рулевых механизмов разных поколений, я разделю объяснение на три части, именно столько их насчитывается в автомобилестроении.
Червячный рулевой механизм
Свое название получил из-за системы привода рулевой колонки, а именно червячной шестерни. В состав рулевой системы входят:
• Руль (думается объяснять не надо?)
• Рулевой вал с крестовиной, представляет собой металлический стержень, у которого с одной стороны расположены шлицы для фиксации руля, а с другой внутренние шлицы для крепления к рулевой колонке. Полная фиксация производится стяжной муфтой, которая обжимает место стыка вала и «червяка» привода колонки. В месте изгиба вала устанавливается кардан, при помощи которого передается боковое усилие вращения.
• Рулевая колонка, устройство, собранное в одном литом корпусе, в состав которой входят червячная ведущая шестерня и ведомая. Ведомая шестерня соединена жестко с рулевой сошкой.
• Рулевые тяги, наконечники и «маятник», совокупность этих деталей соединённых между собой при помощи шаровых и резьбовых соединений.
Работа рулевого механизма выглядит следующим образом: при вращении рулевого колеса, усилие вращения передается на червячный механизм колонки, «червяк» вращает ведомую шестерню, которая в свою очередь приводит в действие рулевую сошку. Сошка соединена со средней рулевой тягой, второй конец тяги крепится к маятниковому рычагу. Рычаг устанавливается на опоре и жестко крепится к кузову автомобиля. От сошки и «маятника» отходят боковые тяги, которые при помощи обжимных муфт соединены с рулевыми наконечниками. Наконечники соединяются со ступицей. Рулевая сошка, поворачиваясь, передает усилие одновременно на боковую тягу и на средний рычаг. Средний рычаг приводит в действие вторую боковую тягу и ступицы поворачиваются, соответственно колеса тоже.
Такая система была распространена на старых моделях «Жигулей» и «BMW».
Реечный рулевой механизм
Самая распространенная система в настоящее время.
Основные узлы это:
• Рулевое колесо (руль)
• Рулевой вал (то же что и в червячном механизме)
• Рулевая рейка – это узел, состоящий из зубчатой рейки, в движение которую приводит рулевая шестерня. Собранная в одном корпусе, чаще из легкого сплава, крепится непосредственно к кузову авто. На концах зубчатой рейки изготовлены резьбовые отверстия для крепления рулевых тяг.
• Рулевые тяги представляют собой металлический стержень, с одного конца у которого резьба, а со второй, шарнирное шаровое устройство с резьбой.
• Рулевой наконечник, это корпус с шаровым шарниром и внутренней резьбой, для вкручивания рулевой тяги.
При вращении рулевого колеса, усилие передается на шестерню, которая приводит в действие рулевую рейку. Рейка «выезжает» из корпуса влево или вправо. Усилие передается на рулевой рычаг с наконечником. Наконечник вставлен в ступицу, которую и поворачивает в дальнейшем.
Для уменьшения усилия водителя при вращении рулевого колеса, в реечное рулевое устройство были введены усилители руля, на них остановимся более подробно
Усилитель руля является вспомогательным устройством для вращения рулевого колеса. Различают несколько типов усилителей руля. Это гидроусилитель, гидроэлектроусилитель, электроусилитель и пневмоусилитель.
1. Гидроусилитель состоит из гидравлического насоса, в действие который приводит двигатель, системы шлангов высокого давления, и бачка для жидкости. Корпус рейки выполнен герметически, так как в нем находится жидкость гидроусилителя. Принцип действия гидроусилителя следующий: насос нагнетает давление в системе, но если руль стоит на месте, то насос просто создает циркуляцию жидкости. Стоит только водителю начать поворачивать руль, как перекрывается циркуляция, и жидкость начинает давить на рейку, «помогая» водителю. Давление направлено в ту сторону, в которую вращается «баранка».
2. В гидроэлектроусилителе система точно такая же, только насос вращает электромотор.
3. В электроусилителе применяется так же электромотор, но соединяется он непосредственно с рейкой или с рулевым валом. Управляется электронным блоком управления. Электроусилитель еще называют адаптивным усилителем из-за возможности прикладывания разного усилия к вращению рулевого колеса, в зависимости от скорости движения. Известная система Servotronic.
4. Пневмоусилитель это близкая «родня» гидроусилителя, только жидкость заменена на сжатый воздух.
Активная рулевая система
Самая «продвинутая» система управления в настоящее время, в состав входит:
• Рулевая рейка с планетарным механизмом и электродвигателем
• Блок электронного управления
• Рулевые тяги, наконечники
• Рулевое колесо (ну а как же без него?)
Принцип работы рулевой системы чем-то напоминает работу АКПП. При вращении рулевого колеса, вращается планетарный механизм, который и приводит в действие рейку, но вот только передаточное число всегда разное, в зависимости от скорости движения автомобиля. Дело в том, что солнечную шестерню снаружи вращает электродвигатель, поэтому в зависимости от скорости вращения изменяется передаточное число. На небольшой скорости коэффициент передачи составляет единицу. Но при большем разгоне, когда малейшее движение руля может привести к негативным последствиям, включается электромотор, вращает солнечную шестерню, соответственно необходимо руль довернуть больше при повороте. На маленькой скорости автомобиля электродвигатель вращается в обратную сторону, создавая более комфортное управление.
Весь остальной процесс выглядит, как и у простой реечной системы.
Ничего не забыли? Забыли, конечно! Забыли еще одну систему – винтовую. Правда, эта система больше похожа на червячный механизм. Итак – на валу проточена винтовая резьба, по которой «ползает» своеобразная гайка, представляет собой зубчатую рейку с резьбой внутри. Зубья рейки приводят в действие рулевой сектор, в свою очередь он предает движение сошке, ну а дальше как в червячной системе. Для уменьшения трения, внутри «гайки» расположены шарики, которые «циркулируют» во время вращения.
Рулевое колесо
- Рулевое колесо (штурвал, руль) — устройство для управления движением автомобиля, судна в заданном направлении.
Руль используется в большинстве современных наземных транспортных средствах, включая все автомобили массового производства, лёгкие и тяжёлые грузовики. Рулевое колесо — часть системы управления, на которую непосредственно воздействует водитель; вся остальная часть системы реагирует на подобные водителю входные воздействия. Это может быть прямой механический контакт как в механизме с шариковой гайкой или с шестернями реечной передачи, без или с помощью гидроусилителя или как в автомобилях современного производства с помощью компьютерных приводов, известных как рулевое управление с электроусилителем. С введением в Соединённых штатах федерального транспортного регулирования в 1968 году, согласно пункту 114 «Федеральных стандартов по безопасности автомобилей» требуется блокировка поворота руля, чтобы затруднить кражу автомобиля; в большинстве автомобилей блокировка происходит после извлечения ключа из замка зажигания.
Автомобильный руль. За что мы будем держаться через 10 лет?
Автомобили развиваются. Становятся умнее, резвее, безопаснее. Производители меняют методы взаимодействия с авто, подчеркивают инновационность в интерьере, заменяют зеркала дисплеями. А вместо приборной панели ставят планшет. Но как эволюционирует главный и старейший интерфейс автомобиля — руль? И каким бы мы хотели его увидеть в будущем? Давайте порассуждаем под катом.
Историческая справка
Хотя для управления автомобилем индустрия довольно быстро стала использовать рулевое колесо, но это не было очевидным решением, и на первых автомобилях устанавливали ручку от перечницы.
Benz Patent Motor Car, 1886
Чуть позже, поняв, что сидеть часами в позе креветки вызывает неприятные ощущения да и в целом недостойно джентельмена (сударя или господина), плечо начали увеличивать, и орган управления стал походить на румпель от лодки.
Panhard Levassor Phaeton, 1894
Но мощность автомобилей росла пропорционально их популярности. Они становились не просто экзотическим средством передвижения, а символом торжества технического прогресса, способным удовлетворить жажду человечества двигаться все быстрее и быстрее. Однако на большой скорости управляться таким рычагом становилось всё менее удобно. И вот уже к 1894 году Альфред Вашерон установил рулевое колесо на гоночный автомобиль Panhard, принявший участие в первых официальных гонках в мире. Инновация показала себя превосходно, и вот, спустя 4 года, уже все новинки компании Panhard-Levassor начали оборудовать рулём в виде колеса. А через 10 лет изобретение перекочевало практически и во все остальные марки.
Panhard & Levassor 16 HP, 1902
Хотя в последующие годы радикальных изменений с рулём не происходило, это не означает, что его развитие остановилось. Сначала догадались расположить рулевую рейку уклоном в сторону водителя. А через несколько десятилетий появилась опция регулировки положения руля. Руль начал обрастать привычными нам функциями. На него переехал клаксон. Появлялось больше места под кнопки, джойстики и подушку безопасности. Но принципиально подход не менялся. Колесо оставалось колесом. При повороте колеса налево автомобиль поворачивал налево. Так же и с поворотом направо.
Рулевое колесо сегодня
И так, давайте вспомним, как же выглядит привычное нам рулевое колесо.
Руль от Рено Дастер 2014 года
Вот классический круглый руль. Просто руль, без дополнительных функций умных кнопок и рычагов. Кто-то может сказать: “Стойте, как без кнопок? А звуковой сигнал?”. Но присмотритесь внимательнее в к логотипу. Это же Рено! А значит и бибикать будете где-то сбоку! Но минимализм нынче в тренде, так что, а почему бы и нет.
Для тех, кто готов потратиться, можно добавить немного функций. Ведь во время движения руки в основном на руле. Накинем кнопок!
Руль от Лада Веста
Нынче Веста — это вариант побогаче. Такое уж время. Так или иначе, это уже не просто руль, а многофункциональное рулевое колесо. Первыми такое стали ставить в тюнинг ателье BB в начале 80-х. Не так давно, если задуматься. Идею сперва восприняли в штыки. ”Зачем перегружать простой и понятный орган управления дополнительными функциями?“ — спрашивали многие эксперты. Но время всё расставило на свои места.
Идея отлично прижилась и на спортивных автомобилях. Правда там на руль выносят совсем не переключение треков.
Руль от Porsche 911 RSR
Хотя как по мне — это явный переборий. Но там и функции больше, так как любой гоночный болид сродни самолету. На гражданские автомобили подобного монстра ставить определённо не стоит.
Ну хорошо, это всё вчерашний день. Какие изменения главного органа управления нам предлагают сегодня?
Первое, что приходит в голову, это штурвал у Tesla Model S. Компания представила обновлённый руль в 2021 году и, несмотря на критику, продолжает устанавливать только его в модель S, не предлагая привычный руль даже как опцию. (UPD: с этого года снова можно поставить круглый руль, спасибо @domage за замечание).
Штурвал от Tesla Model S
Инновации можно вносить не только в форму руля. В китайском кроссовере Li 9 приборная панель переехала прямо на рулевое колесо в виде небольшого дисплея. Вкупе с проекцией на лобовом стекле это выглядит даже интересно.
Li 9
В российском электромобиле Атом пошли ещё дальше и, судя по презентациям, перенесли и центральный планшет в рулевое колесо. А, впрочем, колесом руль также быть перестал. Автомобиль планируется к выходу в 2025 году, а это довольно скоро. Так что, с большой долей вероятности, примерно такое исполнение мы и увидим в реальности.
Атом (изображений качества получше найти, к сожалению, не удалось)
Считаете, что Атом или Tesla слишком радикально поменяли интерьер автомобиля? “Подержите наше пиво вино!” — сказали французы и представили на CES 2023 концепт-кар Peugeot Inception. Тут руль не напоминает ни, собственно, руль, ни штурвал. На нём отображаются приборы, а взаимодействие водителя с автомобилем осуществляется с помощью отверстий-джойстиков. Как таким чудом пользоваться, я представляю с трудом. На то он и концепт.
Peugeot Inception
С другой стороны, пользоваться этим чудом инженерной мысли придётся не часто. Руль в Peugeot Inception складывается и убирается в переднюю панель, а управление берёт на себя автопилот.
Если хочется еще больше окунуться в фантазию автомобильных дизайнеров, можно почитать вот эту статью. А мы попробуем размять своё воображение.
Пофантазируем!
Давайте бросим себе вызов и попытаемся сами переизобрести систему управления автомобилем? Каким руль может стать через 5, 10, 15 лет? Первое, что приходит в голову, это подсмотреть идеи у соседей по цеху. Ведь легковые автомобили — не единственная техника, управляемая человеком.
Например, есть авиация. Если абстрагироваться от миллиона кнопок и датчиков на приборной панели самолёта и сконцентрироваться только на штурвале, то можно выделить одно главное отличие от автомобильного руля: штурвал можно как тянуть, так и толкать. Другое дело, что для поворота налево или направо там используются педали. Но нам это сейчас не интересно. Ведь благодаря штурвалу можно выбросить все педали из авто. Потянул штурвал на себя — ускорился. Толкнул вперёд — замедлился. Управление газом и тормозом на руле уже давно используется водителями с ограниченными способностями (хоть и не от хорошей жизни). Да и у той же Теслы есть режим езды с помощью только одной педали. Правда здесь довольно сложно понять, как бороться с кочками, на которых автомобиль будет подскакивать, а водитель станет непроизвольно дергать штурвал. Но я уверен, всё решаемо.
Ну ладно самолёт — штука довольно сложная и далёкая от легковых автомобилей. С другой стороны есть наземная техника, которая работает и вовсе без руля. Для управления движением бульдозера достаточно джойстика с парой кнопок.
Такое устройство занимает значительно меньше места, чем руль. И проблему кочек решить будет проще именно благодаря компактности. Даже интересно, экспериментировали ли с подобным джойстиком в реальности.
Впрочем не будем зацикливаться на уже существующем транспорте. Возьмем за основу что-то более простое и знакомое, чем самолет или бульдозер. Большинство гоночных симуляторов отлично позволяют играть на геймпаде. Не нужно никаких рулей. Рубился в Grand Turismo на плойке дома, вспомнил, что надо же ребёнка с шахмат забирать, и, не выпуская геймпад из рук, прыгнул в тачку и поехал, привычно дёргая стики и зажимая лепестки.
Случайный геймпад для PS4
Ладно, переходим к по-настоящему радикальным фантазиям. Жесты! Или взгляды. Может даже вздохи. “Бред!” — скажете вы. Но ведь полностью автономные автомобили всё ближе. Если обратить внимание на другие сферы, где ИИ творит поразительные вещи, развиваясь семимильными шагами, легко верится, что в ближайшие 5-10 лет начнётся замена живых водителей на электронных уже на законодательном уровне. Да, этот процесс займёт какое-то время. Но избежать его вряд ли получится. Так что сведётся управление автомобилем к одной фразе: “Алиса, поехали на работу”. Но не будет ли за шаблонами привычных маршрутов по навигатору потеряна реальная свобода перемещения? Как же “просто покататься”? И тут вполне можно встроить управление жестами. Да, электронные мозги будут делать большую часть работы. Но, к примеру, “по мановению руки” в определённом направлении автомобиль перестроится или повернёт. А если энергично и стремительно трясти кулаком, а то и прикрикивать “давай, вперёд!” — автомобиль начнёт резво ускоряться. Конечно не руль с педалями, но хоть какой-то контроль.
Помимо ИИ в мире активно развиваются нейротехнические технологии. И вот уже парализованные люди могут печатать сообщения в соцсетях силой мысли. Конечно, активное применение на бытовом уровне обычными людьми случится еще нескоро, но как знать, возможно лет через 20-30 мы сможем увидеть это своими глазами.
PS: Большое спасибо @Green_Hare за помощь и редактуру.
Автомобильный руль: удивительные факты, которые вы не знали
Привычный, круглый руль, пришедший на смену рычагам управления, появился в конце девятнадцатого века. Он, как показала практика, оказался наиболее эффективным средством для передачи мускульной силы человека к колесам автомобиля с целью изменения направления движения. Неудивительно поэтому, что через каких-то десять лет сомнений по этому вопросу ни у кого из автопроизводителей не осталось. Примитивная поначалу металлическая или деревянная «баранка» постепенно совершенствовалась и к сегодняшнему дню достигла статуса сложного многофункционального устройства.
Bugatti 57SC Atlantic
Прежде всего, руль призван обеспечить простоту и удобство управления. И как следствие — безопасность пассажиров. Вот почему стоит обращать внимание на диаметр рулевого колеса и на сечение его обода. Правда, сейчас размер «штурвала» не столь важен. С тех пор, как в 30‑е годы прошлого столетия появился усилитель рулевого управления, диаметр руля стал постепенно уменьшаться, вплотную приблизившись к «игрушечным» показателям.
Edsel, 1950 г.
С миниатюрным рулем машина становится «острее» при скоростных маневрах, требуя меньше вращательных движений. Однако, слишком маленькое рулевое колесо неудобно в пользовании, особенно на парковке. И усилие на нем, несмотря на помощь усилителя, довольно высоко. Плюс к тому в маленьком руле трудно размещать подушку безопасности, которая появилась в 1972 году и стала атрибутом почти всех (даже бюджетных) автомобилей. Вот поэтому у современных машин используются рули примерно одного («плюс-минус») компромиссно-оптимального диаметра.
Chevrolet Project X
Что касается сечения обода рулевого колеса, то в процессе эволюции данный показатель у большинства тоже приблизился к «золотой середине» в 30‑40 мм. Такой руль действительно гораздо лучше лежит в руках, чем, например, тонкий скользкий кругляк вазовской «копейки». Не говоря о штурвалах еще более пожилых автомобилей. Кстати, материал, из которого выполнен обод, тоже имеет существенное значение. Слов нет, рули из полированных дерева или кости смотрелись изыскано и богато, но удержать их в объятиях было сложно. Скользкие обода канули в лету, уступив место гораздо более практичным и удобным полиуретановым и кожаным рулям. Однако в качестве компромисса и с целью подчеркнуть благородство автомобиля, порой используются комбинированные рули, скажем, кожаные с деревянными вставками. Или замшевые. Если кожаный руль выполнен с перфорацией, руки потеют значительно меньше. А вот замша хороша во всем, кроме практичности: уж очень быстро пачкается.
Maserati Boomerang
Некоторые из «баранок» в верхней части, на 10 часов и на 2 часа, снабжены специальными приливами, которые оптимизируют хват и косвенно определяют правильное положение рук на руле. Правда, когда инженерам изменяет чувство меры, приливы на руле получаются чересчур большими и, соответственно, неудобными.
Nissan Cima
Отдельная тема — рулевые спицы. В экспериментах с их количеством автопроизводители доходили до крайностей. Примерами тому могут служить рули французкой фирмы Ситроен — односпицевый руль фантомасовского ДС или бесспицевый концепта Осмос. А японцы, со своим «Субару» ХТ, удивили асимметричным двухспицевым рулем-пистолетом. Оригинальность оригинальностью, но практичность берет свое. Сейчас подавляющее большинство машин оснащены трех- или четырехспицевыми рулями. Два этих «типоразмера» наилучшим образом подходят под нужды водителя. А что до формы и расположения спиц, это дело индивидуальное. Скажем, некоторые любят расслабиться на трассе, держась одной рукой за нижнюю часть «бублика», что возможно при четырехспицевом варианте и невозможно при трехспицевом. Кстати, в 20‑30 годах прошлого века в фаворе у водителей тоже было три или четыре спицы, что определялось технологией. Причем, у штурвалов дорогих автомобилей, для гашения вибраций, они делались составными из 4‑5 раздельных металлических «нитей».
Subaru XT 
ВАЗ-2101
С развитием автомобилизации руль стал превращаться в многофункциональное устройство. И если прежде на ступице руля можно было встретить лишь несколько кнопок управления автоматической коробкой передач, как например у Эдсел 50‑го года, то впоследствии началась кнопочная «вакханалия», как у Лянча Медуза. Более того, предлагался вариант, при котором центр рулевого колеса был вообще превращен в щиток приборов (концепт Мазератти Бумеранг). В конце концов, разум взял верх. Сверхсложные рули, представляющие собой мощный информационно — вычислительный комплекс, стали уделом болидов гоночных серий, типа Формулы 1. А в быту снова нашелся компромисс. Кнопки на руле современных автомобилей, отвечающие за музыку, климат, телефон, борткомпьютер, дорожные «асситенты» и пр., обосновались на верхних спицах и (или) на дополнительных секциях чуть ниже.
Lancia Medusa 
Bentley Arnage
С месторасположением каждой конкретной кнопки со временем можно сжиться, а вот к их форме приноровиться сложнее. Очень удобно, когда кнопки имеют индивидуальные отличия друг от друга — по размеру, стилистике, принципу качания-нажимания… Тогда их легко распознать на ощупь, не отвлекаясь от управления. Зачастую, на обратной стороне спиц у машин с автоматической трансмиссией находятся клавиши или «лепестки» переключения передач в ручном режиме. Насколько вообще востребован данный режим это вопрос, но в принципе данный вид «переключалок» довольно удобен. Особенно «лепестковый».
Ford Interceptor 
Cadillac Escalade
Еще удобство манипуляций с рулевым колесом обусловлено углом его наклона. «Игра» этим параметром доступна в большинстве современных автомобилей. А вот такая «вкусность» как подогрев руля пока еще не стала повседневной нормой. Хотя пользу от этой опции в зимнюю стужу трудно переоценить.
Mitsubishi Pajero Sport 
Citroen C4 Picasso 
Kia Optima
Было бы странно, если бы руль развивался только технически и не удостоился внимания со стороны дизайнеров. Тон в этом вопросе задает форма. Как ни крути, она остается круглой. Было немало попыток внедрить в жизнь овальные или оквадраченные модели, а так же самолетные штурвалы и джойстики. Но дерзкие решения не прижились. Зато вошло в моду рулевое колесо с усеченной нижней частью. И это оправдано не столько с эстетической точки зрения, сколько с практической. Особенно для тесных автомобилей, где подобная конфигурация помогает разжиться дополнительными сантиметрами пространства. Но поскольку тесно преимущественно в спортивных автомобилях, усеченный руль стал модным ориентиром для остальных.
Citroen Osmose 
Audi R8
А вообще, вариантов оформления, разумеется, множество. В основном культивируются два направления: эксклюзивность и спортивность. Для первого свойственны четырехспицевость, обилие кнопок, отделка благородными материалами. Для второго — трехспицевость, кнопочный минимализм, карбоновые вставки, контрастные прострочки. «Баранки» большинства бюджетных моделей в той или иной степени тяготеют к обозначенным тенденциям. Хотя, конечно, среднестатистический водитель больше предпочитает комфорт.
Mercedes AMG GT
В любом случае, руль очень значимое устройство, которое всегда перед глазами и все время в руках, поэтому очень важно найти именно свой персональный вариант.