С каждым годом современные автомобили становятся все “умнее”, помогая водителю в управлении, обеспечивая безопасность и комфорт. «Автоматы», электронные дроссельные заслонки, системы стабилизации, электрогидравлические тормоза… Но рулить-то надо самому! Это святое. Однако не обошли стороной эти тенденции и рулевое управление.
AFS (Active Front Steering), разработанная инженерами BMW, проста, как все гениальное (партнерами выступили Bosh и ZF). Главная часть AFS — планетарная передача, корпус которой может вращаться с помощью электромотора. Она встроена в разрезанный рулевой вал и управляется командами компьютера.
Что это дает? Не будем торопиться. Сначала вкратце очертим границы проблемы. Она касается управляемости, которая в данном случае зависит от передаточного числа рулевого механизма. Чем оно меньше, тем быстрее машина реагирует на поворот руля. Весьма удобно, особенно при парковке: не требуется бесчисленное количество раз крутить баранку от края до края.
Однако на большой скорости достоинства оборачиваются недостатками. Малейшее движение руками — и машина уже метнулась в сторону очень твердого на вид отбойника у обочины шоссе. Вот и ищут автопроизводители компромисс между управляемостью, безопасностью и комфортабельностью, «усредняя» эти характеристики. Система AFS позволяет изменять передаточное отношение рулевого привода в очень широких пределах.
Чувствительностью управляет компьютер, а в него можно заложить любую программу. А это значит, что с помощью системы AFS можно избавиться от извечного противоречия: или «острый» руль на малой скорости и слишком нервные реакции на высокой, или спокойное поведение на большом ходу, но «тупой» руль при парковке.
На серийной «пятерке» BMW передаточное отношение рулевого механизма составляет 1:18, и это компромиссный вариант. Благодаря помощи электромотора системы AFS эта цифра в низкоскоростных режимах снижается до 1:10 — это менее двух оборотов руля от упора до упора. Парковаться с таким «быстрым» рулем очень удобно! А чтобы с ростом скорости автомобиль не становился «нервным» в управлении, электроника по мере разгона постепенно снижает активность электродвигателя. На 180—200 км/ч он вообще отключается — передаточное отношение возвращается к стандартному.
А на максимальных скоростях электромотор вновь вступает в действие, но начинает вращаться в противоположную сторону. Ведь система AFS способна не только увеличивать чувствительность рулевого управления, но и уменьшать ее, повышая передаточное отношение до 1:20 и более!
В разрез рулевого вала встроен планетарный механизм. Если электродвигатель не работает, то сателлиты соединяют вал и шестерню рулевого механизма напрямую. Если электродвигатель вращается, он через червяк поворачивает эпициклическую шестерню и в зависимости от направления работы или увеличивает, или уменьшает угловую скорость выходного вала. При отказе системы электромагнит аварийного фиксатора запирает червяк, блокируя механизм изменения передаточного отношения.
Компоненты системы рулевого управления Active Steering: гидроусилитель руля (3) с планетарным механизмом и электромотором, электронный блок управления (1) и датчик определения отклонения от заданного направления движения (2)
Суть работы системы Active Steering в следующем: с увеличением скорости угол поворота управляемых колес уменьшается при неизменном угле поворота рулевого колеса. При снижении же скорости (особенно сильно это проявляется в режиме парковки) управляемые колеса стремятся отклониться, наоборот, на больший угол. Заметьте, на рисунках угол поворота руля одинаков.
Active Steering от BMW сохраняет механическую рулевую колонку, постоянно соединяющую руль с передними колесами автомобиля. Это не только гарантирует полное сохранение всех функций рулевого управления в случае, если одна из вспомогательных систем перестанет работать в заданном режиме или даже полностью выйдет из строя, но обеспечивает подлинное “чувство руля”, которое столь важно для настоящего водителя.
Но прежней неограниченной свободы водителю, тем не менее, уже не видать — планетарный механизм с электромотором все-таки может доворачивать управляемые колеса на 7—8 градусов по команде бортовой электроники. То есть автомобиль может подруливать самостоятельно! Таким образом, система Active Steering сочетает в себе преимущества чисто электронной системы “управления по проводам”, в которой вообще не предусмотрено механическое соединение между рулем и передними колесами, и настоящее “чувство руля”, которое на данный момент можно обеспечить лишь с механической системой рулевого управления.
Управление по проводам
И все-таки будущее, видимо, не за хитрой механикой или гидравликой, усложненными электроникой. Конструкторам автомобилей не дает покоя привычка, которую больше века назад ввел в обиход Вильгельм Майбах, конструктор знаменитого «первого настоящего» автомобиля Mercedes Simplex, — рулить круглым рулем, а газовать и тормозить двумя напольными педалями.
Гранды автомобилестроения вовсю работают над системами без механической связи между рулем и колесами – так называемым управлением по проводам (steering by wire). Преимущества электроники перед гидравликой очевидны: она не только точнее передает движения рук пилота, но и меньше весит, надежнее (содержит меньше деталей), а также легче дублируется, поскольку проложить второй-третий кабель проще, чем гидравлические шланги.
Вращение руля отслеживает специальный датчик. Электронный блок, получая информацию о скорости, боковых и вертикальных ускорениях, посылает сигнал на актуаторы – электромоторы, поворачивающие колеса. В критической ситуации автомобиль сможет самостоятельно (причем быстрее человека!) повернуть колеса на нужный угол. Допустим, системе стабилизации не удалось предотвратить занос, и машина, как волчок, закрутилась на обледеневшем шоссе. Быстродействующая электроника, опросив датчики, повернет руль, куда и на сколько нужно, и притормозит одно или пару колес. Самостоятельность автомобиля намного упростит жизнь водителю: например, компьютер ловко припаркуется.
А когда машины научат хорошо “видеть”, они смогут даже объезжать препятствия. Такие системы выгодны и технологически: протянуть провода куда проще, чем вал с шарнирами. Рулевая трапеция получает отставку – разные углы поворота колес задают сами электромоторы. Кстати, и с точки зрения пассивной безопасности такая конструкция лучше.
Концептов без традиционного управления уже немало. Пришедшая из авиации технология by-wire уже довольно часто применяется в автомобилях , главным образом – в «электронной» педали газа.
BMW AG пошла дальше: в Z22 эта технология «внедрена» в рулевое управление и тормозную систему. Рулевое колесо – на привычном месте, но колонка ликвидирована. Баранка «насажена» на ось электромотора постоянного тока, который обеспечивает возвратное действие на руле. Датчики следят за углом поворота баранки, по их сигналам, обработанным электронным блоком, два электромотора перемещают рейку рулевого механизма. В зависимости от угла поворота колес и от того, как они контактируют с дорогой, определяется необходимая водителю степень обратной связи. Плюсы очевидны – от дополнительной свободы в размещении педального узла (в связи с исчезновением колонки) до легкой реализации переменных характеристик рулевого управления.
Компания Siemens представила систему Connected Truck для седельных тягачей. В ней управление агрегатами грузовика сделано электронным, а руль больше не имеет прямой связи с колесами, превратившись в подобие манипулятора для компьютерных игр. По мнению Siemens, ее система в десять раз сокращает количество соединений между шасси и кабиной, экономя место, материалы и время для ремонта или замены неисправных узлов.
Чем же мы будем рулить в будущем? Компьютерным «джойстиком», как у концепт-кара Mercedes F200 образца 1996 года? Штурвалом с мотоциклетными вращающимися гашетками «газа» и тормозными эспандерными рукоятками, как на концепт-каре GM Hy-Wire 2004 года?
Citroen предлагает еще один вариант: электронное рулевое управление.
Колеса поворачивает мощный электромеханический усилитель, встроенный в рулевую «рейку», — подобный тому, что имеют Mazda RX-8 или Lexus RH400h. Но ни малейшего подобия рулевой колонки здесь нет — сигнал подается по проводам. Сам руль — это штурвал, как для компьютерных игр. И как работает все это хозяйство? Штурвал можно повернуть всего на 60° — это меньше, чем в Формуле-1.
Отклоняешь рогатую конструкцию — под капотом немедленно раздается энергичное жужжание мощной «рулевой машинки», и большой Citroen шарахается в сторону, как испуганная лошадь! С непривычки управлять таким автомобилем довольно сложно! При каждом повороте или торможении кузов кренится и клюет носом. Угадать, на какой угол повернет автомобиль в каждый конкретный момент, непросто — ведь чем медленнее едет экспериментальный Citroen, тем «острее» становится штурвал. Хорошо хоть, что усилие на нем присутствует, и немалое — его обеспечивает специальный генератор обратной связи.
Производители автомобилей давным-давно поняли, что техническим достижениям радуется лишь небольшая часть покупателей, а остальных приходится уговаривать и убеждать. Во многом прогресс в области автостроения сдерживается именно консерватизмом автомобилистов. Наверняка, тем, кто просидел за баранкой десятки лет, придется привыкать к новому управлению. А молодые скорее всего без труда освоят джойстик. Ведь у многих из них большой опыт вождения компьютерных машинок.
