Классическая конструкция рулевого механизма связывает руль и колеса жестко: сколько бы автомобиль ни ехал, на одинаковый угол поворота рулевого колеса передние колеса реагируют одинаково. Такой компромисс неизбежно оказывается неудобным либо в городе, либо на трассе, а от настройки руля напрямую зависит управляемость транспортного средства. Разработчики адаптивных систем решают эту проблему, изменяя характеристики руля в зависимости от ситуации. Ниже специалистами https://vipgur.ru/ разобран принцип работы таких систем, их основные компоненты и конструктивные варианты, которые уже применяются на серийных машинах.
Что такое адаптивное рулевое управление
Адаптивной называют систему рулевого управления, у которой связь между действиями водителя и реакцией управляемых колес не постоянна, а непрерывно меняется электроникой. Меняться может передаточное отношение, усилие на руле или скорость отклика. Общая черта адаптивных систем в том, что решение о том, насколько повернуть колеса и с каким сопротивлением, принимает электронный блок управления, опираясь на сигналы датчиков. Задача всех адаптивных систем одна: обеспечить безопасное вождение и удобство управления транспортным средством в любых условиях.
Любая из адаптивных систем включает три обязательных элемента: датчики, электронный блок управления и исполнительное устройство. Первые сообщают о состоянии автомобиля и действиях водителя, блок рассчитывает нужную реакцию, а исполнительный механизм реализует ее на рулевом валу или рулевой рейке.
Почему постоянное передаточное число неудобно
Передаточное число рулевого механизма показывает, во сколько раз изменение угла поворота рулевого колеса больше изменения угла поворота управляемых колес. Чем оно меньше, тем быстрее машина реагирует на руль. Подобрать его так, чтобы оно одинаково хорошо подходило для всех режимов, невозможно:
- при парковке и маневрах в стесненных условиях удобнее «острый» руль, когда для полного поворота управляемых колес достаточно небольшого числа оборотов;
- на загородной дороге с серией поворотов важна быстрая и предсказуемая реакция без лишних перехватов;
- на высоких скоростях чрезмерно острый руль опасен, поэтому нужна более спокойная реакция и хорошая курсовая устойчивость;
- при экстренном маневре или заносе полезна способность электроники самостоятельно довернуть колеса точнее, чем это успеет сделать человек.
Таким образом, механизм с постоянным передаточным отношением всегда оказывается усредненным, а адаптивная конструкция позволяет менять его по ходу движения.
Из чего состоит адаптивная система
Конкретный набор узлов зависит от производителя, но базовая архитектура у большинства систем схожа. Основу составляет обычный реечный механизм системы рулевого управления, дополненный электроникой и приводом.
- Датчик угла поворота рулевого колеса. Он сообщает, на какой угол и с какой скоростью водитель вращает руль. В большинстве конструкций установлен датчик угла поворота на рулевой колонке.
- Датчик крутящего момента. Чаще всего это торсион, встроенный в разрез рулевого вала: чем сильнее водитель давит на руль, тем больше закручивается торсион, а элементы датчика на его концах фиксируют величину крутящего момента. Принцип измерения может быть магнитным или оптическим.
- Датчики скорости колес, скорости рыскания и поперечного ускорения. Они позволяют учитывать скорость и поведение транспортного средства в повороте.
- Электронный блок управления, который обрабатывает все сигналы и формирует команду для привода.
- Исполнительные устройства: электродвигатель с редуктором, встроенный в рулевой вал, электромотор усилителя или приводы на рулевой рейке.
Электронный блок получает данные не только от собственных датчиков, но и от других систем управления автомобилем по бортовой сети, например от системы стабилизации и камеры, распознающей разметку.
Принцип работы адаптивного рулевого управления
Алгоритм адаптивного рулевого управления заключается в следующем: система постоянно сравнивает команду водителя с текущими условиями движения и добавляет к ней собственную поправку. Этот цикл повторяется непрерывно, пока автомобиль движется.
Сбор и анализ данных
При движении автомобиля водитель поворачивает руль, а датчик угла передает в блок значение угла поворота рулевого колеса и скорость его изменения. Одновременно поступают данные о скорости движения и о величине крутящего момента, который человек прикладывает к ободу. По сочетанию угла поворота рулевого колеса и скорости блок управления определяет, какое передаточное отношение требуется в данный момент.
Расчет поправки
Логика изменения характеристик у большинства систем одинакова. На малой скорости поворот колес оказывается больше, чем при том же угле поворота рулевого колеса на трассе, поэтому руль становится «острее». С ростом скорости руль начинает работать с более высоким передаточным числом: угол поворота управляемых колес уменьшается при неизменном угле поворота рулевого колеса, и реакция автомобиля становится спокойнее. Таким образом, при одном и том же положении руля реакции автомобиля будут разными в городе и на шоссе.
Исполнение команды
Исполнительный механизм добавляет к повороту, заданному водителем, дополнительный угол либо вычитает его. В механических схемах это делает электродвигатель через редуктор, встроенный в рулевой вал. В системах без механической связи колеса поворачивают моторы на рейке. При этом водитель ощущает на руле реакцию, которую формирует электроника. Требуемое положение управляемых колес привод отрабатывает за доли секунды, поэтому человек не замечает вмешательства.
Основные разновидности адаптивных систем
Производители систем с переменным передаточным отношением пришли к нескольким конструктивным решениям. Все они относятся к классу адаптивных систем, но используют разные механизмы для изменения передаточного отношения и усилия.
Система на основе планетарной передачи
BMW в 2003 году представила Active Front Steering, впервые установив ее на 5 серию. Разработка велась совместно с ZF. В разрез рулевого вала встроен двойной планетарный механизм, корпус которого может вращаться электродвигателем через червячную передачу. Если мотор неподвижен, сателлиты соединяют рулевой вал и шестерню рулевого механизма напрямую. Если мотор вращается, выходной вал поворачивается быстрее или медленнее входного. По данным отраслевой прессы, для 5 серии передаточное отношение могло меняться примерно от 1:10 до 1:20. При отказе электромагнитный фиксатор блокирует червяк, и механизм рулевого управления работает как обычный с постоянным передаточным отношением.
Позже BMW дополнила эту схему подруливанием задних колес под названием Integral Active Steering. Задние колеса поворачиваются на несколько градусов, а ниже определенной скорости в сторону, противоположную передним, что уменьшает радиус разворота. На более высокой скорости задние колеса поворачиваются в ту же сторону, что и передние, и это повышает устойчивость автомобиля на повороте и при перестроении.
Система на основе волновой передачи
Audi применяет Dynamic Steering с переменным передаточным отношением, в которой рулевой вал разделен компактным редуктором с волновой передачей и электромотором. Передаточное отношение в ней меняется в зависимости от скорости автомобиля и угла поворота рулевого колеса. Владельцы Audi A4 отмечают, что у машины с такой опцией для полного поворота управляемых колес руль делает около двух оборотов вместо 2,9 у стандартной версии, если автомобиль стоит или едет медленно. Кроме того, в определенных условиях система по командам ESP подруливает управляемыми колесами, помогая сохранить устойчивость транспортного средства. Для этого мотор редуктора создает дополнительный угол без изменения угла поворота рулевого колеса.
Рулевое управление по проводам
Самый радикальный вариант представляет собой концепцию steer-by-wire. Infiniti с 2013 года устанавливает на Q50 систему Direct Adaptive Steering. В ней руль и колеса в обычном режиме не связаны механически: сигнал от руля поступает на три независимых блока, а поворот управляемых колес транспортного средства выполняют два электромотора на рейке. Третий мотор на рулевой колонке создает на ободе рулевого колеса обратную связь в виде крутящего момента, имитируя привычное сопротивление. Производитель заявляет до 1000 корректировок курса транспортного средства в секунду. Водитель может выбрать тяжелый, стандартный или легкий характер руля, а кроме перечисленных режимов, усилие и реакцию можно настроить индивидуально.
Адаптивный усилитель
Более простым вариантом адаптивных систем является изменение не угла, а усилия. Гидроусилитель рулевого управления Servotronic регулирует подачу рабочей жидкости в зависимости от скорости движения, а электрический усилитель меняет ток двигателя с учетом скорости и угла поворота рулевого колеса. Коэффициент усиления снижается с ростом скорости, поэтому руль становится тяжелее и информативнее. В этом случае передаточное отношение остается постоянным, а меняется только величина вспомогательного крутящего момента.
| Тип системы | Что изменяется | Механическая связь руля с колесами | Пример |
|---|---|---|---|
| Планетарный редуктор в рулевом валу | Передаточное отношение, стабилизирующее подруливание | Сохраняется | BMW Active Front Steering |
| Волновой редуктор в рулевом валу | Передаточное отношение, подруливание по командам ESP | Сохраняется | Audi Dynamic Steering |
| Steer-by-wire | Передаточное отношение, усилие и скорость отклика | Только резервная через муфту | Infiniti Direct Adaptive Steering |
| Адаптивный усилитель | Усилие на руле | Сохраняется | Servotronic, электроусилители |
Роль крутящего момента в работе системы
Для адаптивных систем величина крутящего момента на руле служит одним из главных параметров. Именно величина крутящего момента показывает, насколько активно водитель действует и какую помощь ему нужно оказать. В электроусилителе торсион закручивается пропорционально приложенному усилию, датчик крутящего момента передает сигнал, и блок определяет, какой ток подать на мотор и в каком направлении он должен вращаться.
Степень помощи зависит от нескольких величин:
- от крутящего момента на руле и скорости его нарастания;
- от выбранного водителем режима работы, например комфортного или спортивного;
- от скорости движения автомобиля;
- от угла поворота рулевого колеса и скорости вращения руля;
- от программы, заложенной производителем для конкретной модели.
Мотор усилителя создает вспомогательную долю крутящего момента, которая складывается с усилием водителя на валу рулевого механизма или рейке. Если требуется «тяжелый» руль, доля вспомогательного крутящего момента уменьшается, а при парковке, наоборот, мотор берет на себя большую часть крутящего момента, необходимого, чтобы выполнить поворот колес на месте. Благодаря контролю крутящего момента электроника умеет возвращать руль в нулевое положение после поворота и удерживать колеса прямо при разном давлении в шинах.
В системах по проводам логика обратная: колеса поворачивает мотор, а на руле специальный привод формирует искусственный реактивный крутящий момент. Такой имитатор должен воспроизводить изменения крутящего момента так же, как это делала бы механическая связь, иначе водитель потеряет ощущение сцепления шин с дорогой. Величина этого крутящего момента рассчитывается по нагрузке на рейке, поэтому водитель чувствует дорогу, хотя вибрации и удары от неровностей до руля не доходят.
Связь с системами помощи водителю
Возможность поворачивать колеса без участия человека делает адаптивные механизмы основой для многих систем управления и помощи водителю. Это важное отличие от чисто механической системы рулевого управления, которое будет становиться все заметнее по мере развития автоматизации. Основой для таких функций может быть как активный редуктор, так и электрический привод усилителя рулевого управления.
Стабилизация на повороте
Когда датчики фиксируют начало заноса автомобиля на повороте, система стабилизации может не только притормозить колесо, но и дать команду на подруливание управляемых колес. Электроника реагирует быстрее человека и довернет колеса точнее, чтобы избежать потери контроля и сохранить траекторию транспортного средства. При торможении на покрытии с разным сцеплением под левыми и правыми колесами подруливание компенсирует разворачивающее действие крутящего момента от тормозов. Особенностью адаптивных рулевых управлений является то, что поправка добавляется к действиям водителя, а не заменяет их.
Удержание в полосе
Функции автоматического удержания автомобиля в полосе работают через электроусилитель. Это продолжение идеи автоматического удержания колес в среднем положении, только с участием камеры. Камера отслеживает разметку, блок рассчитывает траекторию, и мотор усилителя прикладывает к рулю дозированный импульс крутящего момента, направляя машину к центру полосы. Величина крутящего момента ограничена, чтобы водитель мог легко пересилить систему. Одни системы лишь возвращают автомобиль, приблизившийся к краю полосы движения, другие постоянно держат его ближе к центру полосы. Водитель при этом должен держать руки на руле, а система лишь помогает в процессе удержания автомобиля в выбранной полосе. Особенностью электрических рулевых управлений является то, что такие функции добавляются программно, без изменения механики.
Преимущества и ограничения
Главные плюсы адаптивного рулевого управления связаны с комфортом и безопасностью управления транспортным средством. Основные преимущества можно свести к нескольким пунктам:
- при парковке нужно меньше оборотов руля благодаря более быстрому изменению угла поворота управляемых колес;
- на скорости машина не реагирует нервно на мелкие движения руля;
- электроника помогает стабилизировать автомобиль на повороте и при торможении;
- появляется основа для функций помощи водителю, которые поддерживают безопасное вождение.
Среди адаптивных систем варианты по проводам дополнительно избавляют руль от вибраций и ускоряют отклик.
Есть и нюансы. Конструкция сложнее и дороже обычного рулевого управления, а после ремонта подвески или развала требуется калибровка датчиков, особенно датчика угла поворота рулевого колеса. Владельцы отмечают, что при неправильной адаптации положения руля в крайних точках могут оказаться несимметричными.
Резервирование и безопасность
Главной задачей рулевого управления является точное выполнение команд водителя, поэтому надежности уделяют особое внимание. В механических схемах при сбое привод рулевого механизма фиксируется, и передача крутящего момента от руля к рейке идет напрямую. В Infiniti Q50 в разрезе рулевого вала установлена муфта, которая в штатном режиме разомкнута, а при отказе электроники замыкается и восстанавливает прямую механическую связь. Три независимых блока дополнительно дублируют друг друга. Таким образом, даже при неисправности электроники водитель сохраняет контроль над положением управляемых колес, а безопасность транспортного средства не зависит от одного узла.
Адаптивное рулевое управление сегодня представляет собой зрелую технологию, которая делает процесс управления транспортным средством легче в городе, стабильнее на трассе и становится основой для систем помощи водителю.