Самоуправство
Современные автомобили балуют своих владельцев: услужливо включают стеклоочистители в дождь, заботливо зажигают ближний свет в сумерках, помогают парковаться и, конечно, облегчают вращение руля. Однако некоторые автомобили в своем подхалимстве зашли еще дальше – они научились изменять передаточное отношение рулевого механизма, избавляя водителя от необходимости наматывать баранкой круги.
Текст: Карелов Олег.
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 соскользунвший на предзвуковых скоростях 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 динамичнее или на дороге не возникнет внештатная систуацая – в этот момент лишние обороты напоминают о себе, и вращать руль приходится очень быстро, что для неподготовленного человека становится неприятным сорпризром. Это и вынуждает, производителей мощных динамичных автомобилей обращаться к идее переменного передаточного отношения.
ШИРЕ ШАГ
|
| Элемент рулевой рейки Mercedes SLK. |
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.
Естественность поведения автомобиля с таким механизмом, а так же простота реализации привлекли внимание мгногих автопроизводителей. Например, BMW, который отнес эту рейку в списков базово оборудования, или Mercedes-Benz, оснащающий ею свои родстеры и купе. Взял на вооружение этот принцип и Porsche.
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!
ПЛАНЕТАРНАЯ ПЕРЕДАЧА
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.
Конструктивно редуктор представляет собой обычную планетарную передачу: солнечная шестерня, находящаяся в центре, вращающиеся вокруг неё планетарные шестерни, оси которых жестко связаны друг с другом, а так же внешнее зубчатое колесо, имеющее внутреннее зацепление с планетарными шестерням – так называемая эпициклическая шестерня.
Входной вал ( от руля до редутора) соединен с солнечной шестерней, а выходной, идущий к рейке, – с осями планетарных. Таким образом, если внешнее зубчатое кольцо неподвижно, то валы соединяются напрямую, если же его начать вращать, например с помощью электромотора, то в зависимости от направления его движения, валы будут проворачивать относительно друг друга в ту или иную сторону. Именно так незаметно для водителя автомобиль сам доварачивает колеса в медленном повороте, или наоборот препятствует их слишком резкому отклонению на большой скорости.
ВОЛНОВАЯ ПЕРЕДАЧА
|
| Волновая передача. |
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.
РАЗБОР ПОЛЕТОВ
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.
РЕЗЮМЕ
Апологеты 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.
|
