МЕЖДУ РУЛЕМ И КОЛЕСАМИ

Бенц Даймлеру рознь

Создатели первых самобеглых экипажей, поглощенные моторами своих машин, не слишком пеклись о прочем. Их можно понять: коляска, движущаяся без помощи мускульной силы, сама по себе была чудом. То, что временами автомобиль должен поворачивать и тормозить, отходило на второй план.

Но когда первые восторги прошли, конструкторам пришлось осознать необходимость создания рулевого механизма, отличного от общепринятого на конных экипажах: ведь у тех управление осуществлялось поворотом всей передней оси относительно центрального шкворня. Для автомобиля такое устройство было непригодно хотя бы потому, что здесь гораздо меньше плечо управляющего рычага, не говоря уже о том, что при езде по кривым, все четыре колеса должны катиться по дугам, имеющим один общий центр.

Автомобиль Карла Бенца, официально запатентованный 29 января 1886 года (эту дату можно считать днем начала автомобильной эры), представлял собой трехколесный экипаж с одним передним управляемым колесом – именно по указанной выше причине.

Другой пионер автомобилестроения, Готлиб Даймлер, установил двигатель в легкую пролетку-«американку», специально построенную по его заказу экипажной фабрикой в Штутгардте. Коляска имела четыре колеса, и поскольку направление изменял сам водитель, а не лошадь, поворотный круг, связанный с перед-ней осью, снабдили внутренним зубчатым венцом. С ним зацеплялась шестерня вертикального рулевого вала, имевшего на верхнем конце крестообразную рукоятку. Вращением ее и осуществлялся поворот передней оси. Свой моторный экипаж Даймлер опробовал осенью 1886 года, и новое транспортное средство доказало свою реальную эксплуатационную работоспособность. Но он почему-то не сделал патентной заявки на него, и лавры первооткрывателя достались Бенцу.

Лошадиное наследство

Первая безлошадная «карета» Даймлера отличалась от своих предшественниц расположенной в центре стойкой управления и выглядела достаточно непривычно. Многие по-следователи Даймлера строили подобные экипажи, экспериментируя с расположением двигателя – сдвигая его вперед. В результате перегрузки переднего моста трудности в управлении возрастали.

Машинами с передними колесами меньшего диаметра было проще управлять, но все же каждый поворот в пути представлял огромный риск, не говоря уже о «трехколеске» Бенца. Чтобы превратить карету в автомобиль, нужно было решить проблему управления. И Даймлер, и Бенц, как никто, понимали это. Еще в 1817 году мюнхенский каретник Георг Ланкеншпергер (Georg Lankensperger) запатентовал рулевое управление с поворотными кулаками.

Для конных экипажей эта конструкция оказалась малополезной и почти не применялась. Другой каретных дел мастер, француз Шарль Жанто (Charles Jeantand), придумал механизм управления передними колесами, получивший название «трапеция Жанто» или всем теперь известная просто рулевая трапеция.

Оба этих изобретения до поры до времени «пылились на полках», пока через 75 лет Карл Бенц не вспомнил и не усовершенствовал их, получив в 1893 году патент на «устройство управления экипажей с тангенциальными к колесам окружностями управления». Чуть раньше, в 1889 году Г. Даймлер также получил патент на «способ независимого управления передними колесами с разновеликими радиусами поворота». Успешное решение этой проблемы побудило Бенца создать свой первый, уже четырехколесный, автомобиль и увековечить этот момент в его названии – «Виктория» (1893 г.).

На машине «Бенц-Виктория» движение от вертикальной рулевой колонки с маленьким рулевым колесом-штурвалом и расположенным ниже червячным колесом передавалось через двусторонние зубчатые рейки на вильчатый рычаг, который был связан с колесами через рулевые штанги-тяги. Такой рулевой привод уже обеспечивал необходимые условия для нормального движения автомобиля на повороте, а именно: необходимую зависимость между углами поворота наружного и внутреннего колес.

Червяк и палец рулят

Появление наклонных рулевых колонок совпало по времени с распространением рулевых механизмов в корпусе, заполненном смазкой. Причем сразу появились два типа таких механизмов. Первый представлял собой винтовую передачу, гайка которой была связана с рулевой сош-кой и двигалась по винту вверх и вниз. Второй – включал в себя червячный сегмент, сцепленный с рулевым червяком. Обе конструкции, в принципе, знакомы по современным автомобилям. Преимущество обеих систем – способность самозатормаживаться.

Дальнейшее развитие этой идеи заключалось в том, что палец установили на ролики для уменьшения трения. Оказалось возможным также сделать рулевой червяк с переменным шагом – меньшим в средней части и крупнее на концах. Это позволило и повысить точность управления, и сохранить небольшое усилие на руле.

Появление независимой перед-ней подвески привело к усложнению рулевой трапеции – введению дополнительных шарниров и звеньев. Одной из самых «продвинутых» в 30-е годы считали независимую подвеску на пружинах автомобиля «Кадиллак» серии G5. Сегодня такой никого не удивишь – двойные поперечные рычаги, прикрепленные к прочной балке, поворотные кулаки на шкворнях... И сейчас очень похожий мост устанавливают на отечественные «Волги».

Однако семьдесят лет назад эта подвеска считалась большим шагом вперед и... вызвала немалые трудности в проектировании рулевого управления. Дело в том, что наиболее распространенное в те годы «рулевое» с неразъемной поперечной тягой автомобилю не подходило. Ведь при наезде на неровность расстояние между колесами у большинства независимых подвесок меняется, и жесткая тяга заставляла бы их поворачиваться. Где уж тут говорить об управляемости.

Инженеры американской фирмы предложили свое решение этой проблемы. Создатели «Кадиллака» пошли по пути знакомой нам конструкции рулевой трапеции с тремя тягами и маятниковым рычагом, как на «Жигулях», «Волге».

Но разместили они эти компоненты весьма оригинально. От червячного рулевого механизма, сдвинутого почти к моторному щиту, шла длинная продольная тяга. Второй ее конец был связан с двуплечным маятниковым рычагом, расположенным также непривычно – не справа, а в середине автомобиля. От «маятника» к поворотным цапфам шли две поперечные рулевые тяги равной длины. Поскольку их длина соответствовала длине нижних рычагов подвески, такая конструкция обеспечивала неплохую управляемость. В те же 30-е годы на автомобилях с независимой подвеской уже применялось реечное рулевое управление, по конструкции близкое к современному. Особенно любили «рейку» конструкторы BMW.

Углубить и... усилить

Тогда же заявили о себе усилители рулевого механизма. Сначала их устанавливали на тяжелых грузовиках и автобусах, причем работали они от сжатого воздуха или от разрежения во впускном коллекторе. Позднее появились гидроусилители, представляющие собой следящий гидростатический привод, обеспечивающий определенную зависимость угла поворота управляемых колес от угла поворота рулевого колеса.

Для работы гидроусилителя необходим гидронасос, приводимый в действие обычно от двигателя, и распределитель с гидроцилиндром, как правило, выполненные в одном блоке с рулевым механизмом. Гидроусилители оставались бы «монополистами» вплоть до начала девяностых годов, если бы на малых машинах не стали все чаще применять усилители электрические и электрогидравлические.

Электрогидравлический усилитель – это тот же самый гидравлический, только гидронасос у него «крутит» отдельный электрический двигатель. Эффективность усилителя зависит от скорости (чем выше скорость, тем меньше «помощь» усилителя, тем тяжелее руль). Такая система устанавливается, например, на Opel Vectra.

Усилитель электрический стал возможен с появлением компактных и мощных электродвигателей, которые или вращают рулевой вал, или непосредственно двигают рулевую рейку. У электрических усилителей масса преимуществ перед гидравликой: отсутствие жидкостей и трубопроводов, компактность, возможность монтажа в любом месте рулевого привода. А еще – экономия топлива (до 5%!) – ведь двигателю не надо тратить мощность на вращение гидронасоса. Современная

электроника 500 раз в секунду анализирует информацию о скорости машины и соответственно корректирует степень «помощи» усилителя. Кроме того, электродвигатель по команде компьютера автоматически возвращает рулевое колесо в нейтральное положение и помогает демпфировать толчки и удары от неровностей дороги. Электроусилитель рулевого управления устанавливается на «Ладу-Калину».

Вот! Электронный поворот

Отметим здесь, что необходимость установки передних колес под определенным углом (то есть схождения и развала) поняли еще каретные мастера. Опытным путем они старались достичь максимального комфорта при быстрой езде. Задачи автомобильных конструкторов усложнило наличие различных шин и конструкций подвесок. И все бы ничего, но некоторые конструкторы мечтают вообще прервать жесткую механическую связь между рулем и колесами, заменив ее чисто электрической! И не только мечтают, но уже и воплощают свои идеи в реальность – о внедрении технологий drive-by-wire (электронного управления всеми системами автомобиля) говорят уже много лет.

Редкая выставка обходится без очередного «проводного» концепт-кара. Взять хотя бы «самоходное шасси на топливных элементах» под названием Autonomy, показанное GM. Чудо-электромобиль, напичканный последними достижениями электроники и электротехники, не имеет ни одной механической связи ни в тормозной системе, ни в рулевом управлении, ни в управлении тяговыми электродвигателями. Вместо руля в кабине – то ли штурвал, то ли компьютерный джойстик. И BMW туда же – экспериментальный Z22 тоже не имеет привычной прямой связи с исполнительными механизмами – руление и торможение осуществляется по проводам! Как-то жутковато управлять автомобилем на скорости даже в 60 км/час, зная, что колеса поворачиваешь не ты, а какой-то электромоторчик! Конструкторы на это отвечают: в «Боинге 747» – все на проводах, и ничего, такая громадина, и летает, причем очень неплохо.

Одно утешает – до окончательной победы электроники над механикой еще далеко по причине отсутствия в арсенале производителей достаточно надежных систем «руления» и торможения.

Александр ЯШКЕВИЧ