Авто с поворачивающимися задними колесами
Задняя подруливающая подвеска автомобиля как одна из основных опций, обеспечивающих управляемость
Совершенствование системы управления автомобилем не прекращается на протяжении всей истории автомобилестроения.
Для создания комфортного и безопасного вождения на современных авто устанавливают всевозможные усилители руля, системы курсовой устойчивости, антипробуксовичные устройства ABS и многое другое, что активно или пассивно участвует в поддержании устойчивости машины на дороге.
Этой же цели служит и задняя подруливающая подвеска, история создания которой насчитывает не один десяток лет – впервые такую конструкцию применили на довоенном джипе Mercedes Kubelwagen G5.
Для чего нужны подруливающие колеса
Изначально подруливающие колеса устанавливались на погрузчиках для того, чтобы улучшить их маневренность в тесных складских помещениях. Из этих же соображений стали ставить такие механизмы и на автомобили, радиус разворота которых на малых скоростях уменьшился почти вдвое.
Дальнейшее совершенствование системы подруливания задних колес позволило использовать её и при прохождении поворотов на больших скоростях – это значительно повысило устойчивость машины.
Как работает
Принцип работы системы, предназначенной для улучшения маневренности, основан на том, что в момент поворота передних колес в одну из сторон, задние подруливают в противоположную, занося, тем самым, заднюю часть машины и уменьшая радиус разворота.
На больших скоростях задние колеса могут синхронно с передними поворачиваться в одну сторону, что позволяет срезать траекторию движения автомобиля, или выворачиваться в противоположное направление, занося при этом зад машины. В обоих случаях цель преследуется одна – улучшить устойчивость машины на повороте, за счет уменьшения опрокидывающего момента, вызванного значительной боковой нагрузкой на задние колеса при этом маневре.
Виды подруливающих подвесок
Разработанные на сегодняшний день подруливающие задние подвески могут работать как в активном, так и в пассивном режимах.
В первом случае управлением задних колес занимаются электронные блоки, которые разворачивают их одновременно с передними, во втором – выворачивание колес осуществляется при помощи тяг, рычагов и изменения нагрузки на колеса.
Пассивная
Конструкция пассивной системы подруливания задней подвески до гениальности проста. Она состоит из четырёх поперечных тяг (по две на каждое колесо), прикреплённых к корпусу через сайлентблоки, а к ступице посредством шаровых опор. Основную роль в повороте колес играют рычаги, закрепленные на передней части ступицы.
При повороте на большой скорости, к примеру, направо, за счёт центробежных сил идёт кренение кузова авто на левую сторону – расстояние между днищем и ступицей уменьшается, а так как длина тяги остается неизменной, то она просто выдавливает левое колесо наружу. На поднявшейся стороне, наоборот — расстояние увеличивается, и тяга втягивает правое колесо внутрь. В результате они изменяют направление движения в сторону противоположную повороту передних колес, уменьшая, тем самым, боковую нагрузку и опрокидывающий момент.
Это изменение может быть незначительным, на какие-нибудь сотые доли градуса, но вполне достаточным, чтобы уменьшить стремление машины опрокинуться и, тем самым, значительно повысить устойчивость машины.
Активная
При использовании активной системы изменения направления движения, все колёса перемещаются одновременно.
Усилия с руля передаются на электронный блок управления, а от него на втягивающие реле, как их еще называют – актуаторы, которые и двигают задние рулевые тяги, схожие с передними.
Эта система работает в двух режимах:
Преимущества и недостатки
Основным преимуществом автомобилей, оснащённых системой подруливания задней подвесной системы, являются увеличение маневренности за счёт уменьшения радиуса разворота и улучшение управляемости на больших скоростях.
Существенным недостатком этой системы можно считать сложность конструкции задней подвески, что ведёт к удорожанию автомобиля и увеличению расходов на ремонт.
На каких автомобилях встречается
Наиболее популярна эта система у японских производителей. Активную заднюю подруливающую подвеску компания Honda впервые установила на спортивном авто Prelude ещё в 1987 году, а через год фирма Mazda оснастила ею свои модели 626 и МХ6.
Есть такие устройства и у компании Nissan. На начальном этапе они приводились в действие гидравликой и объединялись с гидроусилителем руля. Устанавливали их на авто Nissan и Infiniti с задним приводом, но из-за сложности и ненадёжности конструкции вынуждены были от них отказались и перейти на актуаторы.
Используют её и европейцы. Компания BMW установила системы подруливания на 6 и 7 сериях. Ставит на свои авто её и фирма Renault.
У американцев эту систему ставят на внедорожниках Suburban, Yukon и на пикап Silveradо.
Пассивная система подруливания задних колёс используется в Ford Focus, Peugeot, Toyota.
Несмотря на удорожание автомобиля, в связи с установкой на нём опции по изменению направления движения задних колес, улучшенная маневренность и высокая безопасность прохождения поворотов на большой скорости, которые она даёт, стоят того.
В 80-х годах у Honda уже была система управления всеми колесами
Honda Prelude 4WS – модель с уникальной механической системой подруливания задних колес
Не зря 80-е годы стали для японских автопроизводителей золотой эпохой. Как только в США и Европе поняли, сколько можно получить с японцев уникальнейших технологий и разработок по демпинговым ценам, так сразу начали вкладывать деньги в японское инженерное дело. Механизм был запущен. Разработки шли одна невероятней другой, а ручеек инвестиций превратился в полноводную реку, наполнявшую все высокотехнологичные отрасли. Японцы, конечно же, тоже были не в накладе. Придумывали всякие необычные интересные штуковины и для внутреннего рынка. О странных разработках мы уже писали, например, в данном материале:
Сегодня, правда, мы не будем освещать откровенно странные инженерные решения, а сфокусируем внимание на вполне пророческих. Например, система подруливания задних колес на модели Honda Prelude 4WS. Удивительна она тем, что впервые появилась в конце 80-годов, то есть лет за двадцать пять до того, как подобные варианты начали применяться в среде производителей гоночных автомобилей и люксовых спорткаров в Европе:
Несмотря на определенную архаичность (привод задних колес осуществлялся механическим способом) и невероятные по сегодняшним меркам углы поворота колес на задней оси, технология, реализация и ее история достойны, чтоб о них упомянуть.
Очень дорогая, непрактичная, но совершенно потрясающая технология 4WS.
«4WS» – аббревиатура, расшифровывающаяся как «4 wheels steering», то есть четыре управляемых колеса. Сегодня подобные системы производятся для нескольких целей: 1. Улучшение управляемости и стабильности автомобиля на скоростях; 2. Упрощение парковки.
Удивительно, но Хонда, разработав свою систему для третьего поколения модели Prelude в 87-м году, также преследовала аналогичные цели: с одной стороны – создать более комфортные условия для парковки автомобиля и облегчения маневрирования на узких, переполненных трафиком улочках (колеса задней оси поворачивались в противоположном направлении относительно передних). В этом помогали просто дичайшие углы поворота колес задней оси.
Забавно, что проблемы у пользователей спортивных купе Honda как раз и заключались в том, что при работе системы 4WS они не могли нормально припарковаться рядом с бордюром. Система оказывала медвежью услугу тем, что вы бы практически не смогли бы подъехать близко к бордюрному камню, а если каким-то чудом это и удалось бы сделать, отчалить восвояси также было бы непросто – автомобиль упирался задними повернутыми колесами в препятствие и упорно никуда не желал отъезжать.
С другой стороны, система делала скоростное прохождение поворотов безопаснее (поворачивая задние колеса в том же направлении, что и передние).
Здесь система работала подобно современным аналогам: на скорости задние колеса поворачивались в ту же сторону, что и передние, «ввинчивая» автомобиль в поворот, что уменьшало боковое смещение и снижало риск возникновения заноса.
Кстати, была и третья причина – вариативность отзывчивости автомобиля на рулежку. В медленном городском потоке машина вписывалась в поворот быстрее и за счет меньшего количество оборотов рулевого колеса, тогда как на шоссе рулежка не была излишне дерганной и резкой, подстраиваясь под нужды водителя.
Увы, золотое время быстро прошло, а проблемы остались. Стоит обратить внимание, что, несмотря на достаточно надежную (насколько это возможно для столь изысканной вариации управления всеми колесами), относительно легкую и действительно «умную» конструкцию, главной ее проблемой оставалась высокая цена. В восьмидесятые оборудовать автомобиль подруливающими задними колесами с завода можно было за 1.500 долларов – очень дорогая плата за технологичность и уменьшение радиуса разворота:
Впрочем, люфты и требования к настройке схождения-развала тоже не прибавляли в копилку фанатов экзотики монет. Позже, в следующей итерации развития системы, к проблемам добавились выходящие из строя электронные датчики, следящие за соотношением углов поворота задних колес.
Как работала система подруливания колес Honda 4WS?
Что интересно, система была полностью механической, и внешне она больше всего напоминала систему полного привода. В компоненты входил вал привода (нечто похожее на небольшой карданный вал), который входил в коробку, по конституции напоминающую задний дифференциал на обычной заднеприводной машине. Из этой коробки выходили полуоси, а вернее валы отбора мощности, которые толкали задние рулевые тяги, шедшие непосредственно к колесам. Вот так вся эта машинерия управляла колесами задней оси.
Мало кто осознавал смысл всего этого в то время, поэтому, как только Япония потеряла свой «бесконечный» запас наличных денег для поддержания своих высокотехнологичных устремлений, экономический пузырь лопнул, и Страна восходящего солнца в 1991 году познала один из жесточайших экономических крахов со времен поражения во Второй мировой войне. Все это технологическое искушенное баловство быстро исчезло. Однако как все же прекрасно это было! Увы, сказка без счастливого конца.
История появления подруливающих задних колес.
К этим устройствам можно отнести антипробуксовочные системы и компьютерные системы управления курсовой устойчивостью.
Однако еще до массового внедрения микропроцессоров в системы управления автомобилем существовали разработки, позволявшие улучшить управляемости. К ним относятся и подруливающие задние колеса.
Примеры оснащения подвижной техники подруливающими задними колесами можно найти еще в начала двадцатого века. Этот принцип давно используется в погрузчиках, работающих в замкнутых тесных пространствах складов, в заводских цехах и пр. Подруливающая задняя подвеска еще в довоенные времена применялась в тракторах и внедорожниках, к примеру, в довоенном джипе Mercedes Kübelwagen G5.
Подруливающие задние колеса и теория прохождения поворота
Даже при наличии самой прогрессивной конструкции подвески, к примеру, многорычажной, при движении на высокой скорости серьезным фактором, влияющим на управляемость, становится инерция прямолинейного движения задних колес, сопротивляющихся повороту. При повороте рулевого колеса, когда передние колеса начинают двигаться влево или вправо в направлении поворота, задние неуправляемые колеса пытаются оставаться на прежней траектории.
Типы подруливающей задней подвески и схемы работы
В самых ранних системах — к примеру, на тракторах двадцатых годов прошлого века, угол подруливания был большим, до 15 градусов. С повышением максимальной скорости от таких больших углов пришлось отказаться. В современных автомобилях системы подруливающих колес обеспечивают поворот максимум на 5-8 градусов.
Задняя подруливающая подвеска делится на два вида — активную и пассивную.
Активная подруливающая подвеска
Если автомобиль оснащен активной подруливающей задней подвеской, все четыре колеса поворачивают сразу, реагируя на движение руля. В современных системах усилие от рулевого колеса на задние колеса передается не механически при помощи системы рычагов, а через команду электронного блока управления и втягивающие реле, иначе называемым актуаторами. Они передвигают задние рулевые тяги, схожие с теми, что применяются в основной системе рулевого управления.
Активная подруливающая подвеска работает в двух режимах. При движении на низкой скорости, к примеру, на автостоянке или при заезде в гараж, в момент, когда передние колеса повернуты вправо, задние поворачивают влево, и наоборот. Это дает возможность уменьшить радиус поворота на двадцать — двадцать пять процентов.
На высокой скорости схема работы меняется. При повороте передних колес влево, задние колеса подруливают в ту же сторону, но на меньший угол. За определением точного угла подруливания следит электронный блок управления, принимая в расчет показания датчика углового ускорения, датчика скорости и других, формируя оптимальный алгоритм прохождения виража.
Наибольшей известностью пользуются системы подруливающей задней подвески японских производителей. К примеру, компания Honda начала устанавливать в качестве опции подруливающие задние колеса на спорт-купе Prelude еще в 1987 году. В 1988 году такая же опция появилась у фирмы Mazda для моделеи 626 и МХ6. Американские производители также экспериментировали с подруливающими задними колесами. Система производства General Motors, носившая имя Quadrasteer, в качестве опции устанавливалась на внедорожники Suburban и Yukon, а также на пикап Silverado.
Система компании Nissan под именем HICAS в первые годы производства имела гидравлический привод и была объединена в единую схему с гидроусилителем рулевого управления. Система устанавливалась на заднеприводные автомобили Nissan и Infiniti. В середине девяностых от сложной и не слишком надежной гидравлической системы отказались в пользу привода от управляемых электроникой актуаторов. В 2008 году корпорация Renault-Nissan представила новую систему подруливающей подвески Active Drive в автомобилях Ranault Laguna.
Европейские производители также не остались в стороне. К примеру, современная система подруливающих задних колес в автомобилях BMW назвывается Integral Active Steering.
Пассивная подруливающая подвеска
Во многих современных автомобилях применена упрощенная система подруливающих задних колес, противодействующая инерции прямолинейного движения за счет использования в подвеске элементов, обладающих определенными физическими свойствами. Такой тип подруливающей подвески называется пассивным. В автомобилях с пассивным подруливанием задняя подвеска строится по особой геометрии, и, как правило с применением подвижной тяги Уатта. Система рассчитана так, что при прохождении виража на высокой скорости задние колеса за счет перераспределения сил в подвеске имеют тенденцию подруливать в ту же сторону, что и передние. Помимо геометрии эффект усиливается подбором сайлентблоков определенной формы и упругости. Такая конструкция существенно улучает стабильность автомобиля при повороте. Пассивной системой подруливающих задних колес оснащались, к примеру, автомобили Ford Focus первого поколения.
Четыре на четыре: зачем современным машинам задние подруливающие колеса
Когда японские машины считались самыми-самыми продвинутыми, легенды доносили о том, что в Стране восходящего солнца есть машины, у которых поворачиваются все четыре колеса. Потом в суете обновок те времена как-то забылись. Бурное начало девяностых годов прошло, и в серийном производстве остались только самые нужные из технических решений той поры. Но сейчас интерес к полноуправляемым шасси снова растет, правда, уже на ином техническом уровне, без дополнительных рулевых валов и с заметно упростившейся задней подвеской.
И ладно бы только на Porsche 911 GT3 или Lamborghini Aventador — но ведь на обычном Renault Espace тоже внедряют поворачивающиеся задние колеса. В чем смысл такого технического решения, и ради чего шли на такие сложности производители? И почему о технологии забыли до недавнего времени?
Зачем нужна управляемость
Настройка управляемости всегда считалась очень сложной работой, а машины с идеальным балансом попадали в число лучших. Шасси современных машин, на первый взгляд, мало изменилось в сравнении с восьмидесятыми годами, но отличие есть. И оно отлично себя проявляет, если взглянуть на достигаемые машинами скорости на маневре «переставка» или на гоночной трассе.
Современный семейный хэтчбек способен опередить большую часть суперкаров тридцатилетней давности на автодроме, и не в последнюю очередь за счет тонкой настройки управляемости и отличной «цепкости» шасси. Конечно, и резина, и эластичность моторов тоже играют свою роль, но сейчас в первую очередь поговорим о геометрии.
Нет, речь вовсе не о школьном предмете — я про геометрию шасси. Это набор параметров, описывающих изменения в положении элементов шасси при изменении нагрузки. Суть фокуса в том, что при прохождении поворотов машина наклоняется, да и дорога имеет свой профиль. При правильном расчете параметров геометрии шасси покрышки всегда имеют оптимальный для данных условий контакт с дорогой.
Речь здесь не о максимальной прижимной силе, а о соотношении коэффициента сцепления колес передней и задней оси, правого и левого колес, и о способности колеса в каждый момент воспринимать нагрузку по трем направлениям.
Задача повысить площадь контакта колес с дорогой не так проста, как кажется.
Конечно же, можно «зажать» подвески и сделать перемещения меньше. Это полезно со многих точек зрения, и часто так и поступают, но ведь перемещения можно использовать для благого дела. Например, чтобы колеса в повороте поворачивались сами. Если сложно рассчитать перемещения, то можно немножко подыграть им, поставив рулевое управление и на заднюю ось, создав полноуправляемую машину.
А можно задать перемещение с помощью усложненной подвески — например, многорычажной, которая позволяет настраивать геометрию движения колеса в очень широких пределах и сохранять эти параметры при износе элементов длительное время.
Если вы не гонщик, это не означает, что управляемость для вас не важна. Просто в вашем случае этот термин означает совсем иной набор предпочтительных параметров, нежели идеальная точность и быстрота реакций. Собственно, активная безопасность машины во многом зависит от ее управляемости, и потому над этими параметрами конструкторы автомобилей работают много и продуктивно. А какое отношение это имеет к геометрии шасси?
Как машина поворачивает
Казалось бы, чего проще: повернул передние колеса — и машина повернула. Но на практике все заметно сложнее. Для начала даже на стоящей машине повернутся не только передние колеса. Поскольку у передней подвески есть угол кастора, то передние колеса при повороте поднимутся, каждое на свою высоту. На сколько — зависит от ширины и твердости резины, геометрии подвески и так далее.
Машина в результате получит некоторый крен, в зависимости от высоты центра крена передней и задней подвесок и положения центра масс в этот момент. Задние колеса или даже неразрезной задний мост тоже повернутся — просто в силу того, что при любом изменении положения кузова колеса не просто ходят вверх-вниз, а тоже чуточку, но поворачивают.
В динамике к этой куче параметров добавятся кренящий момент от центра масс машины и уводы резины. Среди всех параметров, которые необходимо рассчитать, для нас наибольшее значение будет иметь мгновенный центр поворота и радиусы поворота передней и задней осей и центра масс. Мгновенный центр поворота совсем не совпадает с геометрическим, который вычислен по правилу Аккермана – точкой, в которой находятся центры окружностей качения всех колес. Более того, в динамике такой точки просто не существует из-за скольжений. Но на рисунках для примера рассмотрена более простая ситуация, чтобы не наводить путаницы.
На первый взгляд, если доворачивать задние колеса в противоположную от передних сторону, то уменьшается радиус поворота машины. Это важно с точки зрения удобства эксплуатации и маневренности. Чем меньше радиус, тем удобнее. Но машины ездят не только на скоростях погрузчиков в торговом центре, так что приходится учитывать и другие факторы.
А что если поворачивать колеса в ту же сторону, что и передние? На первый взгляд, бессмыслица: машина «поедет боком» по большому радиусу, если задние колеса повернуты на меньший угол, чем передние. Сам по себе больший радиус поворота означает, что станет меньше перераспределение нагрузок между правыми и левыми колесами, а значит лучше сцепление колес с дорогой и комфорт.
Но, кажется, того же можно добиться, просто повернув руль на меньший угол? Можно это сделать даже автоматически — благо, рулевые механизмы с переменным шагом сейчас не редкость. Но при повороте задних колес в сторону поворота еще и уменьшается угол увода задней оси, а значит, и склонность к избыточной поворачиваемости. Если совсем просто – машина становится более устойчивой к возникновению заноса. На высоких скоростях это крайне важно.
Схожий эффект можно было бы получить простым увеличением колесной базы. Но размеры машин ограничены — зато с помощью изменения угла поворота задних колес можно получить желаемое, не увеличивая габаритов. А для короткобазной машины это просто спасение: можно сохранить сочетание устойчивости на дороге, характерное для больших машин, не отказываясь от хорошей поворачиваемости.
Не только управлением
Для устойчивости на дороге заднее колесо в повороте должно поворачиваться в сторону поворота передних, а для лучшей маневренности – в противоположную. Если с маневренностью особых сложностей нет, то можно использовать для доворота колес особенности движения машины в повороте. Например, наличие крена. При сжатии подвеска будет доворачивать колесо, и мы получим желаемое.
Но тут есть две проблемы. Во-первых, подвеска таким же образом реагирует на изменение нагрузки, а хотелось бы, чтобы управляемость меньше зависела от нагрузки и больше от собственно крена и боковых усилий. Во-вторых, на заднеприводных машинах очень соблазнительно привязать поворот колес к вектору тяги.
Если усложнять подвеску, вводя рычаги, которые воздействуют на углы установки колес при определенной нагрузке, то мы получим многорычажную подвеску. Да, ту самую, которая появилась на Mercedes W201 и сейчас применяется на большинстве машин С-класса и выше. Причем не только на задней оси, но и на передней.
Именно многорычажная подвеска позволила получить тот же эффект, что и принудительный поворот задней оси, и отказаться от применения сложных систем принудительного поворота на четверть века. Система рычагов в такой подвеске задает сложную траекторию движения колеса в зависимости от продольной, поперечной и вертикальной нагрузок.
Можно довольно точно настроить геометрию шасси с учетом того, как машина будет вести себя при появлении значительных боковых сил, при разном соотношении вертикальной и поперечной нагрузок. Для заднеприводных машин это оказалось серьезным подспорьем в борьбе за лучшую управляемость с самого начала, а переднеприводные примерили подобные технологии чуть позже, с ростом массы, нагрузок и требований уже к их управляемости.
Первые полноуправляемые легковушки
Машины с двумя управляемыми осями создавали вовсе не для отличной управляемости. Такие машины вообще не ездили по шоссе на большой скорости, потому что это были вездеходы. Например, знаменитый Unimog – универсальное шасси повышенной проходимости имеет все четыре управляемых колеса. Разумеется, для того, чтобы лучше ехать по бездорожью и маневрировать в ограниченном пространстве.
На фото: Mercedes-Benz Unimog U 1000
Японские машины начала 80-х годов по сложности конструкции недалеко от них ушли. На Honda Prelude 1987 года была задняя рулевая рейка и вал, связывающий ее с рулевым колесом, и система работала в зависимости от угла поворота колес. На малых углах поворота задние колеса поворачивались в ту же сторону, что и передние, а при больших — в противоположную. Даже в таком виде эффект оказался достаточным, чтобы подобную технологию внедрили и другие японские производители.
На фото: Honda Prelude 1987
Только на следующих поколениях привод задней рулевой рейки стал уже электрическим, а угол поворота зависел и от скорости, на которой совершался маневр. Впрочем, от валов и рейки избавиться не догадались. Конструкции оставались сложными, массивными, объемными и дорогими. Как итог — машины с ними не снискали особой популярности и продавались только на внутреннем японском рынке. Во всем остальном мире безоговорочное лидерство захватили многорычажные подвески.
Почему снова появляются полноуправляемые шасси
Самый очевидный ответ на этот вопрос — снижение цены на приводные механизмы и электронику управления и развитие систем устойчивости и безопасности. На новом технологическом уровне отказались от задних рулевых трапеций и реек. Многорычажные подвески обеспечивают уже достаточный угол доворота колес для реализации нужного эффекта. Осталось оснастить их вместо рычага, отвечающего за доворот колеса, активным электрическим или гидравлическим приводом.
Электроника куда точнее определяет, что происходит в данный момент с машиной, позволяет использовать большие углы доворота, и к тому же дешевле в настройке, чем сложная подвеска. И как дополнительный фактор – то самое улучшение поворачиваемости на малых скоростях. Можно довернуть колеса в противоположную сторону и улучшить маневренность машины на узких улочках.
Не удивлюсь, если подобные системы в ближайшее время будут массово внедряться на машинах от С-класса и выше, причем в сочетании с упрощенной геометрией задней подвески — например, не с многорычажками, а со скручиваемой балкой. Экономический смысл в этом определенно есть, ведь можно получить управляемость, как у более дорогих машин, при меньших затратах. Да и еще один сложный и дорогой изнашиваемый узел «лишним» не будет. Ведь производители авто, кажется, взяли обязательство сделать машину одноразовой.