Почему вообще возникла потребность в изменении передаточного отношения руля? Дело в том, что фиксированное соотношение – это всегда компромисс. Компромисс между маневренностью и комфортом. Например, можно посмотреть на болиды Формулы-1 и сделать так, чтобы от упора до упора руль “гражданского” автомобиля совершал не более одного оборота. Тогда можно будет в два счета парковаться, а любые виражи проходить без перехвата руля. Но одновременно с этим машиной станет и чрезвычайно сложно управлять на скорости – на малейшие подруливания автомобиль будет отзываться мгновенным уводом в сторону.
Такая резкость, конечно, хороша для гонщика, "отлавливающего" на высоких скоростях свой болид, но для обычного водителя она будет чрезвычайно утомительной. Поэтому инженеры делают руль менее острым, то есть увеличивают его передаточное отношение, жертвуя удобством на меньших скоростях ради спокойствия на высоких.
Таким образом, колеса современного автомобиля поворачиваются в крайнее положение за два-три оборота руля, что, как показывает практика, в большинстве случаев является оптимальной настройкой. Правда, лишь до пор пока водитель не захочет поехать быстрее или на дороге не возникнет внештатная ситуация – в этот момент лишние обороты напоминают о себе, и вращать руль приходится очень быстро, что для неподготовленного человека становится неприятным сюрпризом. Это и вынуждает, производителей мощных динамичных автомобилей обращаться к идее переменного передаточного отношения.
Самое простое воплощение этой идеи – рулевая рейка с переменным шагом зубцов. В центре они расположены плотно, обеспечивая повышенное передаточное отношение рулевого механизма, т.е. спокойные реакции автомобиля на малые отклонения руля. Но по мере удаления от центра зубцы постепенно становятся шире, передаточное отношение уменьшается, а руль, соответственно, делается тяжелее и острее. Все логично и эффективно: чем больше угол поворота рулевого колеса, тем резче реакции.
Однако некоторые разработчики пошли дальше и создали активное рулевое управление, в котором передаточное отношение изменяется по команде электроники, принимающей во внимание не только угол поворота руля, но и скорость движения автомобиля и даже действующие на него перегрузки!
Пионером в этой области является BMW с его системой активного рулевого управления Active Front Steering, появившейся вместе с нынешней пятой серией. Суть предложенного механизма в редукторе, вставленном в разрез рулевого вала и служащим для увеличения или уменьшения скорости его вращения.
Схема системы активного рулевого управления
Конструкция
Редуктор изменения передаточного отношения состоит из следующих узлов:
Планетарный механизм
Червячный редуктор
Сервопривод
Стопор серводвигателя
Стопор серводвигателя предусмотрен в целях безопасности, в случае неисправности он блокирует червячную передачу.
Принцип действия
Главным элементом активного рулевого управления является редуктор изменения передаточного отношения без люфта. Редуктор изменения передаточного отношения представляет собой планетарный механизм с 2 входами и одним выходом. Первым входом является нижний вал рулевого управления. Второй вход образует червячный редуктор на планетарном механизме.
Серводвигатель приводит в действие (активизирует через ЭБУ AL) червячную передачу планетарного механизма. Передаточное отношение от червяка к червячному колесу составляет 20,5:1. На случай неисправности предусмотрена функция самоторможения червячного редуктора.Червячный редуктор вносит изменение в поворот управляемых колес по сравнениюс прямым приводом от вала рулевого управления. Создаваемый на шестерне рулевого механизма суммарный угол состоит из:
угол, на который повернуто рулевое колесо
угол, который получается с помощью серводвигателя на редукторе изменения передаточного отношения
Изменение задаваемого водителем угла поворота зависит от параметров динамики движения, особенно от скорости.При низких скоростях (например, во время парковки) активное рулевое управление значительно изменяет поворот управляемых колес по сравнению с прямым приводом от вала рулевого управления. Рулевое управление становится очень острым.
На высоких скоростях серводвигатель работает в противоположном направлении относительно угла поворота рулевого колеса, задаваемого водителем. Общее передаточное отношение рулевого управления становится менее острым.
Стопор серводвигателя производит его блокировку: в случае неисправности при стоящем автомобиле. При этом стопор входит в зубчатое зацепление на червячном редукторе. В исходном положении он находится под воздействием пружины и при подаче питания удерживается против усилия пружины. Прекращение подачи питания приводит, таким образом, к блокировке. Благодаря блокировке редуктора изменения передаточного отношения возможно продолжение управления водителем. Рулевое управление работает при этом как обычное рулевое управление. Чисто механическая связь между рулевым колесом и передними колесами всегда сохраняется.
Условия включения активного рулевого управления: зажигание включено двигатель работает После запуска двигателя синхронизируются положение рулевого колеса и поворот колес.Тем самым обеспечивается совпадение положения рулевого колеса и поворота колес после вращения рулевого колеса, например, на стоящем автомобиле при выключенном зажигании. Примечание: Вращение рулевого колеса или движения колес при синхронизации! Вращение рулевого колеса или движение колес при синхронизации могут быть заметными.Во время движения выполняется только очень медленная синхронизация.
Альтернативное решение нашла Toyota, оснастившая системой VGRS (Variable Gear Ratio Steering) дорогие автомобили Lexus. Для изменения передаточного отношения вместо планетарной передачи они использовали волновую, изобретенную еще в 1955 году американским инженером Уолтоном Массером.
Идея её хитроумна и в то же время проста: в одну шестеренку с внутренними зубцами вставлено другая – гибкая с немного меньшим диаметром и числом внешних зубцов. А внутрь всей этой конструции помещен овальный кулачок, который деформирует гибкую шестерню, обеспечивая её прижим к внешнему кольцу в двух, диаметрально противоположным местах. Соответственно, вращение этого кулачка (он еще называется генератором волн) вызывать смещение точек контакта шестерен, а вместе с этим и их медленный проворот относительно друг друга.
Остается только присоединить входной и выходной вал к шестерням, обеспечить электропривод кулачка – и механизм динамического изменения передаточного отношения готов.
У такой конструкции по сравнению с планетарным редуктором есть несколько преимуществ. Во-первых, благодаря малой разнице диаметра шестерен, в зацеплении одновременно участвует множество зубцов, что позволяет волновой передаче передавать крутящий момент в несколько раз больший, чем планетарной с теми же габаритами и массой. На практике это позволило японцам сделать VGRS в пять раз компактнее, чем AFS от BMW! А во-вторых, волновая передача надежна: если отказывает электромотор, то шестерни, а соответственно и валы, остаются жестко связанными, в то время, как у планетарной передачи под нагрузкой может начать прокручиваться внешнее зубчатое колесо, а выходной вал при этом останется неподвижным... Правда, на такой случай инженеры BMW предусмотрели специальный электромагнитный фиксатор, блокирующий эпициклическую шестерню от проворота.
По-видимому, эти преуимущества волновой передачи оказались весьма значительны, поскольку вслед за Lexus, аналогичное по конструкции рулевое упралвние появилось и на Audi A4.
Вне зависимости от конструкции достоинства активного рулевого управления очевидны: наконец-то можно безо всяких оговорок совместить мягкость реакций на большой скорости и маневренность на низкой. Правда, на практике диапазон изменения оказывается не столь широк, как можно было бы ожидать. Дело в том, что значительная перемена чувствительности руля может привести к ошибкам водителя. Представьте, что вы мчитесь по шоссе, а спустя мгновение вынуждены резко тормозить и быстро перестраиваться в другой ряд – привыкнув к “ленивому” рулю, вы можете легко отправить автомобиль в кювет, ведь после торможения баранка стала уже гораздо острее.
Поэтому от перехвата рук во время парковки подобные системы не избавляют, хотя и позволяют обходится без него в большинстве случаев. А единственный момент, когда проявляется нелинейность рулевого управления, имеет место при торможения на дуге – по мере снижения скорости электроника доворачивает колеса, и при неизменном положении руля автомобиль начинает уходить внутрь поворота.
Однако одним лишь удобством управления достоинства “активного” руля не исчерпываются – умение автомобиля самостоятельно поворачивать колеса очень пригождается системе стабилизации. Например, зафиксировав снос передней оси, электроника даст команду не только подтормозить внутреннее заднее колесо, но и на мгновение уменьшить угол поворота передних колес, чтобы те смогли вновь зацепиться за асфальт. Если же автомобиль начиает соскальзывать задней осью, то она скорректирует увод, немного вывернув колеса в сторону заноса. Вкупе с высоким быстродействием и мягкостью работы, это позволяет системе стабилизации дольше сохранять устойчивость и стремительно гасить начавшиеся скольжения, оставаясь при этом незаметной для водителя.
Приверженцы чистой механики, как среди покупателей, так автопроизводителей, настороженно восприняли появление систем изменения передаточного отношения руля. Их можно понять, ведь после электронной педали газа, автоматических трансмиссий и тормозных систем, подконтрольных АБС, рулевое управление единственное до сих пор оставалось беспрекословно подчиненным водителю механизмом управления, прямым каналом связи между автомобилем и человеком. Но прогресс не остановить, и активное рулевое управление – неизбежный шаг эволюции автомобиля на пути к беспилотному средству передвижения. Хотим мы этого или нет.
