Рулевое управление на пути к автономному автомобилю — журнал За рулем

Рулевое управление: от рычага до автономного вождения

Стремление к комфорту — двигатель прогресса. Это утверждение справедливо абсолютно для всех изобретений, будь то пульт дистанционного управления телевизором или мультиварка. Усилитель рулевого управления из этой же пьесы. Он позволил превратить вождение автомобиля из непростого занятия в приятное развлечение. А современные ГУР/ЭУР и вовсе приближают нас к эпохе автономного автомобиля.

history-of-the-steering-wheel

history-of-the-steering-wheel
Один из первых чертежей привычной нам системы рулевого управления

Энциклопедии утверждают, что первым автомобилем с рулевым колесом, а не с рукояткой в качестве органа управления, стала модель марки Panhard, на которой в 1894 году Альфред Вашерон принял участие в гонке Париж — Руан. Уже через четыре года на всех машинах Panhard-Levassor устанавливалось рулевое колесо, а примеру французов последовали остальные автопроизводители.

Но, несмотря на прибавку в комфорте, управление первыми автомобилями продолжало оставаться делом непростым — крутить баранку было поистине мужской профессией, требовавшей значительных физических сил. На первых порах у шоферов грузовых машин даже были специальные помощники, которые не только играли роль механиков, но и помогали водителю справляться с рулем на крутых поворотах.

Поэтому неудивительно, что еще до внедрения рулевого колеса появились устройства, облегчающие обращение с рычагом-рукояткой. Если верить Морту Шульцу, опубликовавшему к столетию изобретения рулевого управления с усилителем в 1985 году статью в журнале «Популярная механика»под названием «Steering: A Century of Progress», первенство принадлежит изобретателю по фамилии Фиттс. Это он предложил свою систему усилителя рулевого управления в 1876 году. Но, к сожалению, о ней мы знаем весьма немного. В апреле 1900 года был выдан патент U.S. Patent 646,477, в котором описывается система полного привода и рулевого механизма с усилителем, изобретенная жителем Питтсбурга (штат Пенсильвания) Робертом Твайфордом. В 1902 году англичанин Фредерик Ланчестер запатентовал свою гидравлическую систему, а через два года был выдан патент на другую систему, с вакуумным усилителем в основе.

Ни один из этих патентов не нашел себе места на серийном автомобиле. Первым же серийным автомобилем с усилителем руля стал пятитонный грузовик Columbia, который был выпущен в 1903 году. Авторы публикации в журнале Motor Age, вышедшей в 1905 году, с восторгом описывали, как с этим усовершенствованием тяжелый грузовик «сохранял курс и легко управлялся на скорости в 18 миль в час!». С той поры системы рулевого управления, основанные на вакууме или сжатом воздухе, заняли свое место на коммерческом транспорте. К недостаткам пневматики относится то, что она была неприятно шумной и из-за большой упругости воздуха не могла гасить удары от дорожных неровностей. Если на грузовых машинах это было терпимо, то на скоростном легковом авто совершенно неприемлемо.

Прогресс подстегнула война. Инженер подразделения грузовых автомобилей компании Pierce Arrow Фрэнсис Дэвис в 20-х годах ХХ века начал исследовать, как облегчить рулевое управление и в 1926-м, базируясь на гидравлических системах, использовавшихся на морских судах, создал и продемонстрировал первую пригодную к серийному производству систему рулевого управления с гидроусилителем, с возможностью установки на легковые модели Cadillac.

dawis

dawis
Изобретатель ГУР Фрэнсис Дэвис

После этого Дэвис перешел на службу в General Motors и там занялся усовершенствованием своей разработки. Но автопроизводитель посчитал, что устройство получается слишком дорогим в производстве. В 1934 году Дэвис покинул GM и в 1936-м подписал контракт с производителем комплектующих для автомобилей — фирмой Bendix. К 1939 году было выпущено десять моделей гидравлических систем Дэвиса, но только две из них пошли в серию на экспериментальных версиях моделей марки Buick.

Тут-то и разгорелась Вторая мировая. У вооруженных сил появилась необходимость в облегчении управления тяжелыми машинами — бронеавтомобилями и тягачами-эвакуаторами. Работы Дэвиса нашли свое применение уже в 1940 году, когда началась установка ГУР Bendix-Davis на бронемашины Chevrolet, поставлявшиеся британской армии. К 1945 году по военным дорогам колесило не меньше 10 000 единиц техники, оборудованной ГУР.

Большинство современных автомобилей с усилителем имеют гидравлический усилитель рулевого управления, в котором насос, приводимый от двигателя автомобиля (источник энергии), создает давление в гидравлическом цилиндре (силовой элемент). Наиболее распространены гидроусилители, в которых силовой и распределительный элементы объединены с рулевым механизмом в одном корпусе (гидроруль). Поршнем гидроцилиндра в реечном рулевом механизме является рулевая рейка, в механизме винт-гайка—рейка-сектор-гайка. Управляющее устройство выполнено в виде золотника на входном вале механизма, который при прикладывании усилия к рулевому колесу поворачивается (или смещается), перекрывает определенные каналы для прохода жидкости и тем самым соединяет правую или левую полости гидроцилиндра с гидравлическим насосом. На некоторых автомобилях (многоосные, тяжелые грузовые) гидроцилиндр устанавливают в непосредственной близости от управляемого колеса для снижения нагрузок на рулевой привод .

После войны Chrysler начал разработку собственного ГУР на основе просроченных патентов Дэвиса. Разработку для GM вела компания Saginaw Steering Gear Division (впоследствии — Delphi Steering), образованная из существовавшей в начале века фирмы Jackson, Wilcox and Church, специализировавшейся на системах привода и рулевого управления. Коммерческая версия ее ГУР впервые была показана на модели Chrysler Imperial и получила название Hydraguide. GM заключили сделку с Дэвисом, и к 1953 году его система была установлена на 1 млн автомобилей. К 1956 году каждый четвертый автомобиль на дорогах был оснащен ГУРом, а  в следующем десятилетии их число перевалило за 3,5 млн.

Дальнейшие разработки GM привели к появлению в 1960 году рулевого колеса с регулируемым наклоном, полуосей для переднеприводных моделей и энергопоглощающей рулевой колонки. В 1970 году компания представила свою первую рулевую колонку с подушкой безопасности, а в 1995-м продемонстрировала первую модель электроусилителя рулевого управления с изменяемым в зависимости от скорости усилием. Тогда же, в конце 1960-х, General Motors предложила на модели Pontiac систему рулевого управления с гидроусилителем с переменным отношением передаточных чисел.

mercury_park_lane

mercury_park_lane
Mercury Park Lane

Конкуренты Chrysler и GM также вели свои разработки, причем весьма оригинальные. Так, в 1965 году компания Ford выпустила и передала для тестирования представителям СМИ несколько машин Mercury Park Lane с двумя маленькими рулевыми колесиками, расположенными по бокам рулевой колонки и соединенными цепной передачей. У маленьких (127 мм) рулевых «колец» было очень большое передаточное число (15:01) и резервный электрогидравлический насос. Футуристического вида руль позволял заправить огромный седан в поворот в буквальном смысле одним движением запястья или большого пальца, за что и получил у восторженной прессы наименование wrist-twist instant steering.

Не отставали от американцев и в Европе. Французы из Citroën в 1970 году поразили автомобильный мир своей системой DIRAVI. Этот акроним от французского Direction à rappel asservi в переводе на русский означает «управление с регулируемым возвратом». В Великобритании система продавалась под названием Varipower, а в США как SpeedFeel. Это был первый коммерчески доступный усилитель рулевого управления с переменным усилием. Активно помогая на малых скоростях, он меньше влиял на управление на высокой скорости. Cистема DIRAVI была дополнением к интегрированной гидропневматической подвеске и тормозной системе Citroën, но кроме своей гидравлической части не зависела от нее.

Разработка Citroën выделялась тем, что в ней не было прямого механического соединения между рулем и колесами во время нормальной работы системы. Усилитель работал даже при выключенном моторе, рулевое колесо автоматически возвращалось в среднее положение, а усилие на нем менялось пропорционально скорости и углу поворота колес. Машина с DIRAVI могла ехать прямо, сохраняя курс вне зависимости от того, были ли на ее пути выбоины и колея — изменение направления осуществлялось только волей водителя!

К недостаткам DIRAVI относили ее чувствительность и высокую скорость срабатывания, которые требовали определенного привыкания. Кроме того, водитель должен был искать визуальные подсказки, чтобы определить предел сцепления с дорогой.

Система была использована на Citroën SM, Citroen CX, Citroen XM с мотором V6, Maserati Quattroporte II, Maserati Khamsin.

В 1986 году под маркой Servotronic была выпущена одна из первых массовых систем гидроусилителя, чувствительного к скорости автомобиля. Конструкция, разработанная немецкими компаниями ZF Friedrichshafen AG и Robert Bosch GmbH, была принята на вооружение на машинах более десятка ведущих брендов.

ZF-Servotronic

ZF-ServotronicZF-Servotronic
ZF-Servotronic
ZF-Servotronic

Принцип работы Servotronic заключался в том, что на небольшой скорости, особенно при парковке, задействуется максимальное гидравлическое усиление системы и обеспечивается прекрасная маневренность без лишних усилий для водителя. На высоких скоростях влияние работы усилителя уменьшается, рулевое управление становится жестче и точнее, обеспечивая высокую чувствительность и устойчивость. Servotronic был построен на основе специального гидрораспределителя с дополнительными компонентами (электрогидравлический преобразователь, реактивный плунжер, обратные клапаны и клапан отсечки) и получает информацию о скорости движения транспортного средства через электронный блок управления. Эта сложная гидромеханическая система регулирует уровень усилия, при необходимости повышая или понижая его уровень.

В 1989 году первое поколение Servotronic, основанное на распределителе типа «вращающийся поршень», было заменено на исполнение с распределителем типа «вращающийся золотниковый клапан». Последующая модернизация рулевой системы произошла в 1998 году и получила название Servotronic 2. Всего было произведено более 12 млн таких рулевых реек.

Разновидностью гидроусилителя является электрогидравлический усилитель , в котором гидравлический насос соединен с электродвигателем, питающимся от бортовой электросети автомобиля. Конструктивно электродвигатель и гидронасос объединены в силовой блок (Powerpack). Преимущества такой схемы: компактность, возможность функционирования при неработающем двигателе (источник энергии — АКБ автомобиля); включение гидронасоса только в необходимые моменты (экономия энергии), возможность применения электронных схем регулирования в цепях электродвигателя.

В 2001 году ZF перешла от гидравлики к электрическим системам под названием Servolectric. В них используется электродвигатель, который потребляет электроэнергию только в момент срабатывания рулевого управления. Благодаря этому в среднем экономится 0,4 л топлива на 100 км пробега по сравнению с традиционным гидроусилителем.

Pkw_Servolectric_Doppelritzel_7805_Delta_re_01

Pkw_Servolectric_Doppelritzel_7805_Delta_re_01
ZF Servolectric

В 1988-м адаптивная электрогидравлическая система Cybrid, менявшая степень помощи водителю в зависимости от скорости машины, появилась и у японцев на модели Subaru XT6. Двумя годами позже японская Toyota представила второе поколение своего «Porsche для секретарши» — родстера MR2 с электрогидравлическим усилителем руля. Главным преимуществом новшества стала независимость системы от неработающего ДВС. А в 1994-м Volkswagen выпустил Golf Mark 3 Ecomatic c электрическим насосом, который мог работать, пока компьютер отключал ДВС для экономии топлива.

Subaru XT6

Subaru XT6Subaru XT6
Subaru XT6
Subaru XT6 

Первая модель с ЭУР с переменным передаточным отношением была выпущена на рынок японской Honda, представившей в 2000 году модель своего родстера S2000 Type V с системой VGS. Аналогичную разработку спустя три года показала и Toyota на моделях Lexus LX 470 и Cygnus. В тойотовской версии работа усилителя рулевого управления была связана с электронной сиcтемой контроля устойчивости.

Дальнейшим развитием ЭУР и одним из важных шагов на пути уже не просто к комфорту, а к автономному автомобилю стало рулевое управление, использующее принцип Drive-by-Wire, подразумевающим отсутствие физической связи между рулем и колесами и передачу обратной реакции посредством электромоторов, как это сделано в хороших рулях для электронных игр. Первым серийным авто с «компьютерным рулем» — системой DAS (Direct Adaptive Steering) стал Infiniti Q50 (Nissan Skyline).


Разработчики DAS из компании KYB утверждают, что благодаря отсутствию механической связи между органами управления и управляемым элементом конструкции можно наиболее точно и быстро реагировать на изменение условий движения и максимально эффективно управлять транспортным средством. Впрочем, физическая связь между рулем и колесами оставлена на случай выхода из строя электроники — сохранен классический рулевой вал, обеспечивающий связь рулевой рейки и рулевого колеса, но в штатных режимах движения кулачковая муфта, встроенная в разрез вала, разомкнута. Таким образом, поворачивая руль, водитель лишь обозначает свое намерение. Далее в работу вступает целая группа датчиков, электронных блоков и исполнительных механизмов на рулевой рейке, которые обеспечивают необходимый в данной ситуации угол поворота колес. Водитель получает необходимую обратную связь при помощи уникального реакционного мотора. Управляющая электроника многократно резервирована и содержит три одинаковых блока управления, которые полностью дублируют работу друг друга и постоянно обмениваются информацией. В случае обнаружения сбоя в работе хотя бы одного электронного блока система принимает решение замкнуть муфту на валу и отключается. Принцип резервирования также распространяется и на управляющие механизмы — на рулевой рейке с обеих сторон установлены дублирующие приводные электромоторы, готовые в любой момент оказать друг другу электромеханическую «поддержку».

Как заявляют в KYB, в будущем, когда подобные системы в автомобилях вовсе не будут иметь рулевого вала, можно будет практически исключить возможность смещения рулевого колеса в салон в случае аварии, что станет переворотом в пассивной безопасности автомобилей.

Вот как передавали свои ощущения наши коллеги, после того как им доводилось прокатиться на Q50: «…добавим сюда еще „интеллектуальный“ круиз-контроль с функцией полной остановки — и выходит, что водитель все больше выступает в роли статиста, который пускает мотор, задает адрес навигатору и давит на акселератор, давно уже потерявший механическую связь с двигателем».

О том, что водителю будущего отведена роль статиста, наслаждающегося комфортом в салоне, думают и в другой компании, работа которой определяет сегодня будущее систем рулевого управления — TRW.

На прошлогоднем автосалоне во Франкфурте TRW продемонстрировала различные интеллектуальные контроллеры и новый блок компьютера управления двигателем (ECU). Последний позволяет интегрировать в одно целое разнообразные функции шасси и электронные системы, такие как управление тормозом и электрическим приводом рулевого механизма, системы безопасности водителя и пассажиров, круиз-контроль. В ближайшем будущем рулевое управление будет адаптироваться, не только реагируя на изменения скорости автомобиля, но и получая информацию от навигационной системы, других автомобилей и облачных серверов.

Пока же в Женеве в прошлом месяце одним из хитов стал шоукар Rinspeed XchangE. И если людям, далеким от техники, в глаза бросались необычный дизайн кузова да золотые часы, помещенные во вращающийся хрустальный глобус на приборке концепта, то публика более внимательная смотрела среди прочего и рулевое управление будущего. Использующий технологию Drive by Wire при езде в штатном автономном режиме, руль располагается по центру и может перемещаться вдоль передней панели.


В случае возникновения внештатной ситуации любой из пассажиров передних сидений может в буквальном смысле перехватить управление, сдвинув его к себе. Сама панель представляет собой огромный 1,2-метровый сенсорный экран с двумя направляющими, по которым и перемещается рулевой модуль от TRW, способный распознавать прикосновение рук владельца. Причем, как дают понять нам создатели концепта, большую часть времени руль в автомобиле будущего проведет в положении «автомат».
Фото: ZF, Chrysler, GM, Subaru, US Pat. bureau
Ошибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter

Читать комментарии

Самые новые