Система стабилизации управления автомобиля

1. Общие положения

Система стабилизации управления автомобилем (система контроля колес с дорогой) предназначена для сохранения устойчивости и управляемости автомобиля за счет заблаговременного определения и устранения критической ситуации.

Система позволяет удерживать автомобиль в пределах заданной водителем траектории при различных режимах движения (разгоне, торможении, движении по прямой, в поворотах и при свободном качении).

Статистика показывает, что электронная система стабилизации существенным образом влияет на безопасность движения. Например, по данным компании Daimler AG, количество аварий из-за потери водителем контроля над автомобилем снизилось на 42 % с момента внедрения ESP в серийное производство. Американская национальная служба безопасности движения National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) дает близкий показатель — 35 %. Количество смертей в таких ДТП снизилось в США на 30 %.

В систему стабилизации управления автомобилем входят:

• ESP, ESC, DSC, DTSC, VSA, VSC, VDC (система курсовой устойчивости);
• VDM, VDIM, ICM (система управления динамикой автомобиля) — направлена на поддержание курсовой устойчивости, повышение маневренности, снижение нагрузки на водителя;
• HVV (система замедления задних колес);
• HBA, HBB, SBC и др. (системы помощи при экстренном торможении гидравлического типа);
• MSR (система торможения двигателем);
• M-ABS (антиблокировочная функция, реализуемая через управление двигателем);
• ICS, DSC (системы предотвращения непреднамеренного ускорения);
• BSW (система подсушивания тормозов);
• Overboost, FBS (системы компенсации падения эффективности тормозов при их нагреве);
• Side Assist, Lane Change Warning, SWA и др. (системы помощи при перестроении);
• Lane Assist, Lane Departure, Lane Keep Assist и др. (система помощи движению по полосе);
• Cruise control (круиз-контроль);
• HHC, Hill Hold Control, HAC и др. (системы помощи при подъеме);
• HDC, DAC, DDS и др. (системы помощи при спуске);
• Auto HOLD (система автоматического включения стояночного тормоза);
• PTS, PDC, APS (парковочные системы);
• AVM, Surround Camera System, Area View (системы кругового обзора);
• Park Assist, Advanced Park Assist, Active Park Assist (системы автоматической парковки);
• Front Assist (система сканирования пространства перед автомобилем);
• TSR (система распознавания дорожных знаков);
• Bike Sense (система предупреждения о велосипедистах);
• Pedestrian Detection System (система обнаружения пешеходов);
• LADS, RADS (системы обнаружения крупных животных);
• DAS (система контроля усталости);
• адаптивные системы освещения;
• системы отключения дальнего света и коррекции света фар;
• системы освещения с адаптивной световой границей;
• Night View Assist, Night Vision (системы ночного видения);
• сканирующие системы освещения и др.

Все системы стабилизации управления автомобилем развились из антиблокировочной системы ABS, которая является системой торможения с управлением только тормозами. К системам торможения, которые работают только за счет управления двигателем, относятся M-ABS и MSR.

Здесь рассматривается наиболее важная система стабилизации управления транспортного средства (ТС) — система управления динамикой автомобиля.

2. Система управления динамикой автомобиля

Объединение различных электронных систем автомобиля в сеть, помимо обмена информацией, позволяет организовать их совместную работу. На этом принципе построена система интегрированного управления динамикой автомобиля. Она объединяет систему курсовой устойчивости, рулевое управление, трансмиссию и подвеску автомобиля, которые до этого работали самостоятельно. Система управления динамикой автомобиля направлена на поддержание курсовой устойчивости, повышение маневренности, снижение нагрузки на водителя. Система представляет собой специальное программное обеспечение, которое устанавливается, как правило, в блок управления системы курсовой устойчивости. Система не имеет собственных конструктивных элементов, поэтому системой как таковой является лишь условно. В большей степени это маркетинговый ход производителей.

Система динамического рулевого управления позволяет устранить недостатки, присущие традиционным рулевым механизмам с постоянным передаточным отношением. Передаточное отношение динамического рулевого механизма изменяется в зависимости от скорости движения автомобиля и угла поворота рулевого колеса. При парковке, езде по извилистой дороге местного значения или скоростном движении по автомагистрали динамическое рулевое управление в зависимости от конкретной ситуации обеспечивает оптимальное передаточное отношение рулевого механизма. Кроме того, динамическое рулевое управление участвует в стабилизации автомобиля системой ESP путем подруливания управляемых колес и частичного или полного отказа от подтормаживания колес.

Система ESP использует динамическое рулевое управление при избыточной и недостаточной поворачиваемости автомобиля, а также при торможении на дорожных покрытиях с разными коэффициентами трения под правыми и левыми колесами.

При избыточной поворачиваемости система ESP стабилизирует автомобиль с использованием динамического рулевого управления (рис. 1). При этом система динамического рулевого управления поворачивает передние колеса в сторону развивающегося заноса задней оси, устраняя его.

Рис. 1. Схема поведения автомобиля с динамическим рулевым управлением: 1, 2, 3 — фазы реализации стабилизации управления автомобилем; ____ — угол поворота управляемого колеса; —- — угол поворота рулевого колеса; …. — угол подруливания динамического рулевого управления; ‾‾‾ — давление в тормозном механизме переднего левого колеса; ‾‾‾ — давление в тормозном механизме переднего правого колеса

Типичной ситуацией, при которой автомобиль легко оказывается в состоянии избыточной поворачиваемости, является быстрая смена полос движения. При рулении в направлении новой полосы движения задняя часть автомобиля может, особенно при высокой скорости движения, перейти в занос. Водитель в большинстве случаев делает необходимое обратное движение рулевым колесом поздно или вовсе не успевает сделать его. В этом случае система динамического рулевого управления автоматически и незаметно для водителя поворачивает управляемые колеса в сторону заноса. Благодаря этому водителю не требуется поворачивать рулевое колесо для стабилизации автомобиля. Он должен лишь повернуть рулевое колесо на тот же угол, что и в дорожной ситуации при отсутствии заноса.

При недостаточной поворачиваемости движущийся автомобиль с повернутыми передними колесами смещается в направлении внешней обочины дороги (снос передней оси). При этом, несмотря на увеличивающийся угол поворота рулевого колеса, удерживающая автомобиль боковая составляющая силы трения уменьшается, из-за чего увеличивается радиус кривизны проходимого поворота.

Система управления динамикой автомобиля имеет несколько названий:

• Vehicle Dynamics Management (VDM) у Robert Bosch GmbH;
• Vehicle Dynamics Integrated Management (VDIM) у Toyota Motor Corporation;
• Integrated Chassis Management (ICM) у BMW AG.

В интегрированной системе управления динамикой автомобиля могут быть реализованы следующие функции:

• дополнительный крутящий момент на рулевом колесе (ассистент рулевой коррекции);
• ассистент рулевой коррекции DSR (от англ. Driver-Steering Recommandation — рекомендация водителю по рулевому управлению);
• дополнительный принудительный угол поворота передних колес (ассистент рулевой коррекции);
• угол поворота колес задней оси на заднеприводных автомобилях;
• распределение крутящего момента между передней и задней осью на полноприводных автомобилях;
• распределение крутящего момента между правым и левым ведущими колесами;
• снижение кренов и раскачивания подвески.

Дополнительный крутящий момент на рулевом колесе оказывает влияние на действия водителя. При избыточной поворачиваемости крутящий момент создается в направлении, противоположном уводу. При недостаточной поворачиваемости данная функция препятствует дальнейшему повороту рулевого колеса. Величина дополнительного крутящего момента небольшая (до 3 нм), поэтому его воздействие на динамику автомобиля минимально. Функция дополнительного крутящего момента на рулевом колесе реализована с помощью электроусилителя рулевого управления.

Создание дополнительного угла поворота передних колес (использование ассистента рулевой коррекции DSR) позволяет добиться значительной стабилизации движения.

Ассистент рулевой коррекции в системе ESP оказывает водителю всего лишь поддержку в критических ситуациях (сообщая о правильном направлении вращения рулевого колеса). Даже при наличии этой функции системы автомобиля не оказывают активного воздействия на управляемые колеса.

Рассмотрим работу дополнительного принудительного угла поворота, или ассистента рулевой коррекции, на примере конкретной дорожной ситуации: автомобиль тормозит на дороге, правый край которой представляет собой выбоины, отремонтированные засыпанием их щебнем (рис. 2) Из-за разного сцепления с правой и левой сторон при торможении возникнет разворачивающий момент, который следовало бы скомпенсировать поворотом рулевого колеса в противоположную сторону, чтобы стабилизировать автомобиль на курсе.

Рис. 2. Торможение автомобиля на дороге с различными коэффициентами сцепления 

На автомобиле без дополнительного принудительного угла поворота или ассистента рулевой коррекции момент, характер и величину поворота рулевого колеса определяет сам водитель. Неопытному водителю легко при этом совершить ошибку, например корректировать рулем каждый раз слишком сильно, что может привести к опасному раскачиванию автомобиля и потере стабильности (рис. 2, а).

На автомобиле с ассистентом рулевой коррекции усилитель рулевого управления создает на рулевом колесе усилия, которые «подсказывают» водителю, когда, куда и на сколько нужно его повернуть. На автомобиле с принудительным углом поворота создается дополнительный момент на рулевом колесе. В результате тормозной путь сокращается, отклонение от траектории движения уменьшается и курсовая устойчивость автомобиля увеличивается (рис. 2, б).

При использовании ассистента рулевой коррекции на примере рассмотренной выше дорожной ситуации будет зафиксирована разница тормозных давлений передних правого и левого колес в режиме срабатывания ABS. Дальнейшие данные собираются с помощью систем контроля сцепления с дорогой. Исходя из этих данных, ассистент рассчитывает, какой вращающий момент необходимо подать на рулевое колесо, чтобы помочь водителю выполнить необходимую коррекцию. Тем самым вмешательство в управление системы ESP ослабляется или полностью предотвращается. В соответствии с этими данными БУ ABS/ESP указывает БУ усилителем рулевого управления, какой управляющий сигнал подать на электромотор электромеханического усилителя рулевого управления. Затребованный поддерживающий вращающий момент электромеханического усилителя облегчает водителю вращение рулевого колеса в нужном для стабилизации автомобиля направлении. Вращение в неправильном направлении не облегчается и поэтому требует от водителя большего усилия. Поддерживающий вращающий момент создается так долго, как того требует блок управления ABS/ESP для стабилизации автомобиля и сокращения тормозного пути.

Контрольная лампа ESP при этом не загорается, это происходит только тогда, когда система ESP вмешивается в управление автомобилем. Ассистент рулевой коррекции задействуется до вмешательства ESP и таким образом лишь использует для получения необходимых данных датчики системы ESP. Собственно работа ассистента рулевой коррекции осуществляется через связь с электромеханическим усилителем рулевого управления.

Для создания дополнительного угла поворота колес используется электроусилитель рулевого управления, который при определенных условиях движения активно вмешивается в управление автомобилем. Например, в системе активного рулевого управления от BMW реализована корректировка угла поворота передних колес при прохождении поворотов и торможении на скользком покрытии.

Производитель автомобилей Audi для корректировки угла предлагает систему реечного электроусилителя с двумя шестернями (рис. 3).

Рис. 3. Схема реечного электроусилителя с двумя шестернями: 1 — датчик момента на рулевом колесе; 2 — ведущая шестерня № 1; 3 — ведущая шестерня № 2; 4 — электродвигатель усилителя; 5 — электронный блок усилителя; 6 — датчик угла поворота рулевого колеса; 7 — торсион вала рулевого управления

Усилитель действует на рейку рулевого механизма через шестерню 3, которая установлена параллельно с ведущей шестерней 2 рулевого механизма. Шестерня 3 приводится от электродвигателя 4. Передаваемый на шестерню 2 рулевого механизма крутящий момент измеряется датчиком момента 1. Величина развиваемого усилителем крутящего момента устанавливается электронным блоком управления 5 в зависимости от момента на рулевом колесе, скорости автомобиля, угла поворота колес, скорости поворота рулевого вала и других вводимых в него данных.

В более поздних конструкциях Audi, например Sportback, в рулевом управлении используется электроусилитель с электродвигателем, коаксиально расположенным вокруг зубчатой рейки (рис. 4). Зубчатая рейка разделена на две части, одна из которых представляет собой ходовой винт 5, а другая — рейку 2. Ротор электродвигателя 4 соединен с гайкой 6, имеющей циркулирующие шарики, которая входит в зацепление с частью рейки 5. Ротор электродвигателя конструктивно представляет собой полый цилиндр, устанавливаемый на зубчатой рейке. Ротор вращает гайку, которая помогает перемещать рейку.

Рис. 4. Электроусилитель с электродвигателем, коаксиально расположенным вокруг зубчатой рейки: а — общая схема; б — детали; 1 — тяга; 2 — зубчатая часть рейки; 3 — валшестерня; 4 — электродвигатель электроусилителя рулевого управления с датчиком положения ротора; 5 — ходовой винт рейки; 6 — гайка с циркулирующими шариками; 7 — блок управления; 8 — датчик момента поворота рулевого колеса; 9 — датчик угла поворота рулевого колеса

Зубчатая рейка, электродвигатель, механизм «винт — гайка» с циркулирующими шариками, электронный блок управления и все необходимые датчики совмещены в одном компактном узле. Блок управления 7 на основании получаемой информации о положении ротора и величине усилия (момента) на рулевом колесе вычисляет необходимые напряжения на отдельных фазах. Для определения этого момента служит датчик момента поворота рулевого колеса 8. Возникающие в результате в фазовых цепях токи создают определенный вращающий момент электродвигателя, который зависит от силы тока. Основой для расчета необходимого усиливающего момента рулевого механизма является значение момента, с которым водитель поворачивает рулевое колесо. Как и в обычном рулевом управлении с гидроусилителем, рулевой вал и вал-шестерня соединены между собой торсионным стержнем. Когда водитель поворачивает рулевое колесо, торсионный стержень закручивается. При этом рулевой вал оказывается повернутым относительно вала-шестерни на угол, величина которого зависит от момента, прилагаемого водителем к рулевому колесу. Угол поворота колеса измеряет датчик 9 угла поворота рулевого колеса.

Преобразование вращательного движения ротора электродвигателя в поступательное движение зубчатой рейки осуществляется с помощью механизма «винт — гайка» с циркулирующими шариками.

Современные системы электроусилителей ограничены по эффективной мощности при применяемом бортовом напряжении 12 В, поэтому такие системы находят применение только на легковых автомобилях.

С помощью целенаправленного изменения угла поворота передних колес динамическое рулевое управление поддерживает работу системы ESP, что улучшает курсовую устойчивость автомобиля благодаря одновременному воздействию ESP на тормозные механизмы и рулевое управление. Это особенно важно на высоких скоростях (> 100 км/ч), так как динамическое рулевое управление имеет преимущество благодаря малому времени реакции.

Динамическое рулевое управление используется также при торможении на покрытии с разным коэффициентом трения под левыми и правыми колесами (на миксте). Название «микст» (в англоязычной литературе еще и «μ-split», μ — коэффициент трения, split — разделение) получили покрытия с существенно различающимся коэффициентом трения под левыми и правыми колесами. Например, с одной стороны автомобиля находится сухой асфальт, а с другой — вода или лёд.

Если в таких дорожных условиях затормозить, то автомобиль поведет в сторону большего тормозного усилия, реализуемого на покрытии с большим коэффициентом трения. Для дальнейшего прямолинейного движения водителю на автомобиле без динамического рулевого управления необходимо повернуть рулевое колесо на угол, который компенсирует увод. В автомобиле с динамическим рулевым управлением угол поворота колес устанавливается системой ESP и динамическим рулевым управлением без участия водителя (рис. 5). Водитель при этом ничего не замечает, рулевое колесо остается в положении желаемого направления движения. Так как система ESP и динамическое рулевое управление выставляют необходимый угол поворота колес быстрее и точнее, чем это делает водитель, то в такой дорожной ситуации получается в среднем более короткий тормозной путь, чем на автомобилях без динамического рулевого управления.

Рис. 5. Схема поведения автомобиля с динамическим рулевым управлением при торможении с разным коэффициентом трения под левыми и правыми колесами: 1, 2 — фазы реализации стабилизации управления автомобилем; — угол поворота управляемого колеса; — угол поворота рулевого колеса; — угол подруливания динамического рулевого управления; — давление в тормозных механизмах переднего левого колеса/заднего левого колеса; — давление в тормозных механизмах переднего правого колеса/заднего правого колеса

Реализация изменяемой характеристики осуществляется с помощью дополнительного электромеханического привода 3 (валашестерни) рулевого механизма, который преобразовывает заданный водителем угол поворота рулевого вала (рис. 6). Механическая связь между рулевым колесом и управляемыми колесами осуществляется через суммирующий механизм.

Необходимость увеличения или уменьшения угла поворота управляемых колес определяется блоком управления 1. Он управляет электродвигателем, который приводит один из элементов суммирующего механизма, и рассчитывает необходимый угол подруливания для изменения передаточного отношения рулевого механизма. Основными параметрами для проведения расчета являются скорость движения и заданный водителем угол поворота рулевого колеса.

Рис. 6. Общая схема системы динамического рулевого управления Audi: 1 — блок управления; 2 — управляющий сигнал; 3 — электромеханический привод; 4 — вал-шестерня; 5 — рулевой механизм; A — вращение рулевого  колеса водителем; B — угол подруливания; C — заданный блоком управления угол поворота управляемых колес

Угол поворота колес равен сумме угла подруливания, заданного суммирующим механизмом, и угла поворота рулевого колеса, заданного водителем. Суммирующий механизм позволяет:

• увеличить угол поворота колес, заданный водителем поворотом рулевого колеса (подруливание в направлении поворота);
• уменьшить угол поворота колес, заданный водителем поворотом рулевого колеса (подруливание в противоположном направлении);
• повернуть колеса без поворота рулевого колеса водителем.

Суммирующий (исполнительный) механизм предназначен для корректировки угла поворота управляемых колес. Он приводит во вращение вал-шестерню рулевого механизма. Суммирующий механизм представляет собой волновой редуктор, один из элементов которого приводится электродвигателем. Характерной особенностью этого механизма является преобразование высокой частоты вращения ротора электродвигателя в низкую с помощью волнового редуктора.

Общий принцип работы волнового редуктора состоит в том, что в зацеплении находятся две шестерни с различным числом зубьев. В примененном для создания динамического рулевого управления механизме электродвигатель приводит шестерню со 100 зубьями, которая входит в зацепление с шестерней, имеющей 102 зуба.

Рулевой вал, напрямую связанный с рулевым колесом, при динамическом рулевом управлении также связан с валом-шестерней рулевого механизма (рис. 7). Связь осуществляется через волновой редуктор. Гибкий стакан 2 посажен на шлицы верхней части рулевого вала 4 (с которой напрямую также связано рулевое колесо). Гибкий стакан является чашеобразной деталью с тонкими и потому гибкими, упругодеформируемыми стенками. На его корпусе имеется наружный зубчатый венец из 100 зубьев. Гибкий стакан входит в зацепление с колесом 1 с внутренним зубчатым венцом из 102 зубьев. Это колесо жестко связано с нижней частью рулевого вала и через нее с валом-шестерней. При повороте рулевого колеса гибкий стакан и втулка поворачиваются вместе, так как связаны зубчатым соединением (соединение работает как шлицевое типа «вал — ступица»). При такой схеме работы рулевой механизм работает обычным образом (без изменения передаточного отношения). В корпусе исполнительного механизма размещен полый вал 6, который приводится во вращение электродвигателем 5 и вращается независимо от верхней части рулевого вала, на которую он надет. Для этого ротор электродвигателя жестко закреплен на одном конце полого вала.

Рис. 7. Электромеханический привод рулевого управления Audi: а — общий вид; б — исполнительный механизм; 1 — колесо с внутренним зубчатым венцом (корпус волнового редуктора); 2 — гибкий стакан; 3 — наружный зубчатый венец; 4 — верхняя часть рулевого вала, связывающая рулевое колесо и гибкий стакан; 5 — электродвигатель; 6 — полый вал; 7 — внутренний зубчатый венец; 8 — нижняя часть рулевого вала; 9 — внутреннее кольцо подшипника; 10 — ротор электродвигателя; 11 — статор электродвигателя

На другой конец полого вала насажено внутреннее кольцо подшипника качения 9, являющееся корпусом волнового редуктора (рис. 8). Внутреннее кольцо подшипника выполнено не совсем круглым, оно формирует эксцентрическую (овальную) беговую дорожку для элементов качения — шариков.

Наружное кольцо подшипника 3 является гибкой стальной обоймой. Эксцентрическая форма внутреннего кольца подшипника 2 передается наружному кольцу (вместе они образуют так называемый генератор волн возмущения). На наружное кольцо подшипника с легким натягом посажен гибкий стакан. Тонкие стенки гибкого стакана повторяют эксцентрическую форму подшипника. Наружный зубчатый венец кольца подшипника 3 гибкого стакана из-за своего эксцентриситета находится в зацеплении с круглым внутренним зубчатым венцом колеса 5 не по всей своей поверхности.

Рис. 8. Волновой редуктор: а — общий вид; б — схема; 1 — корпус волнового редуктора (колесо с внутренним зубчатым венцом); 2 — внутреннее кольцо подшипника; 3 — наружное кольцо подшипника; 4 — крышка подшипника; 5 — колесо с внутренним зубчатым венцом; 6 — подшипник

Работающий электродвигатель приводит во вращение полый вал. Вместе с ним вращается внутреннее кольцо подшипника качения, имеющее эксцентрическую форму. Из-за различного количества зубьев на венцах гибкого стакана и колеса с внутренним венцом зубья венца гибкого стакана несколько смещаются относительно впадин венца колеса. Зуб венца гибкого стакана смещается к боковой поверхности зуба внутреннего венца колеса. Вследствие этого на боковую поверхность зуба внутреннего венца колеса воздействует усилие, что приводит к минимальному повороту колеса. Вращение генератора волн деформации (подшипника с эксцентриситетом) при работе электродвигателя последовательно вводит в зацепление все зубья венца гибкого стакана. Возникает непрерывное вращательное движение колеса 5 с внутренним венцом и связанного с ней вала-шестерни 4 (рис. 6). Изменяется угол поворота управляемых колес. Достигаемое при этом понижение числа оборотов электродвигателя (относительно числа оборотов вала-шестерни) составляет примерно 50:1.

Компания BMW в конструкции своих автомобилей с активным рулевым управлением применяет суммирующий механизм, представляющий собой сдвоенный планетарный редуктор, которой приводится электродвигателем (рис. 9).

Рис. 9. Электромеханический привод рулевого управления BMW: 1 — планетарный редуктор; 2 — корпус редуктора; 3 — электродвигатель

Корпус редуктора может поворачиваться с помощью специального электродвигателя по команде ЭБУ. В зависимости от скорости движения автомобиля ЭБУ меняет передаточное отношение рулевого механизма, увеличивая усилия при движении на шоссе и уменьшая при парковке. При изменении передаточных отношений редуктора уменьшается необходимость поворота рулевого колеса на большие углы.

Планетарный механизм встроен в разрез рулевого вала. Если не работает электродвигатель, то сателлиты соединяют шестерню рулевого механизма и вал напрямую. Если электродвигатель работает, с помощью «червяка» он поворачивает эпициклическую шестерню и, в зависимости от направления движения, уменьшает или увеличивает угловую скорость вала. Вращение эпициклической шестерни в одну или другую сторону позволяет увеличить или уменьшить передаточное число планетарной передачи, чем достигается изменение передаточного отношения рулевого механизма.

Система активируется при запуске двигателя. При совершении маневров на низкой скорости в соответствии с сигналом датчика угла поворота рулевого колеса включается электродвигатель. Вращение шестерни в определенном направлении с максимальной скоростью обеспечивает наименьшее передаточное отношение рулевого механизма, которое достигает значения 1:10. При этом руль становится «острым», уменьшается число оборотов рулевого колеса от упора до упора, чем достигается высокий комфорт в управлении.

При выполнении поворотов на высокой скорости уменьшается частота вращения электродвигателя, соответственно увеличивается передаточное отношение рулевого механизма. На скорости 180…200 км/ч оно достигает оптимального значения 1:18. Электродвигатель при этом перестает вращаться, а усилие от рулевого колеса передается на рулевой механизм напрямую. С дальнейшим ростом скорости электродвигатель снова включается, при этом вращение производится в противоположную сторону. Передаточное отношение рулевого механизма может достигать величины 1:20. При таком передаточном отношении рулевое управление обладает наименьшей «остротой», увеличивается число оборотов рулевого колеса от упора до упора, тем самым обеспечивается безопасность маневрирования на высоких скоростях.

Сравнивая описанные конструкции активного рулевого управления, можно отметить, что у волнового редуктора есть несколько преимуществ перед планетарным. Например, из-за малой разницы диаметра шестерен в зацеплении одновременно участвует множество зубцов, благодаря чему волновой редуктор передает крутящий момент в несколько раз больший, чем планетарный с теми же габаритами и массой.

Устойчивость и управляемость автомобиля при поворотах во многом зависят от направления следования задней оси по колее передней. Это необходимо для уменьшения угла поворота автомобиля и износа его шин. Применение управляемой задней оси позволяет уменьшать поперечные ускорения при повороте автомобиля, что повышает его устойчивость. Системы управления всеми четырьмя колесами значительно улучшают маневрирование автомобилем. Во-первых, повышается чувствительность автомобиля к повороту рулевого колеса. При тихой езде по городу лучше иметь «острое» рулевое управление, чтобы не вращать рулевое колесо на несколько оборотов при каждом маневре. На автостраде же «острое» рулевое управление может вызвать проблемы — автомобиль будет слишком резко реагировать даже на небольшие подруливания. Вовторых, улучшается маневренность автомобиля при парковке или развороте в стесненных городских условиях, т.е. уменьшается радиус поворота. И в-третьих, повышается курсовая устойчивость при резких маневрах на высокой скорости.

Одним из направлений улучшения динамики автомобиля является поворот (подворот) задних колес в одну сторону с передними, что позволяет сохранить направление и скорость движения центра масс автомобиля, а также значительно увеличить мгновенный радиус поворота. При этом уменьшаются действующие на автомобиль боковые силы и, как следствие, повышается курсовая устойчивость.

При движении на малой скорости задние колеса поворачиваются в противофазе с передними (см. рис. 2) и мгновенный радиус поворота уменьшается, а при движении на большой скорости в быстром вираже или при перестроении из ряда в ряд на автостраде задние колеса, наоборот, будут поворачиваться на небольшой угол в ту же сторону, что и передние. К примеру, автомобиль, совершая маневр на автостраде, будет словно не поворачивать, а переходить из ряда в ряд параллельно полосам разметки. При этом он будет двигаться по дуге меньшей кривизны и большего радиуса. Момент, поворачивающий автомобиль вокруг вертикальной оси, будет меньше — стало быть, уменьшится и риск потери курсовой устойчивости и развития заноса задней оси.

В связи с этим некоторые производители вносят в конструкцию ТС функцию управления задней осью.

При избыточной поворачиваемости задние колёса поворачиваются в противоположную сторону, при недостаточной поворачиваемости поворотом задних колес достигается необходимое сцепление с дорогой. В большинстве случаев вмешательство в работу рулевого управления позволяет стабилизировать автомобиль без снижения скорости движения.

При прохождении поворота автомобиль поворачивается вокруг так называемого мгновенного центра вращения «M». У обычных автомобилей он находится на продолжении заднего моста. При подруливании задними колесами на скорости до 60 км/ч они поворачиваются в направлении, противоположном повороту (рис. 10). Результатом подруливания задними колесами становится смещение точки вращения к центральной оси автомобиля при тех же затрачиваемых водителем усилиях.

Рис. 10. Подруливание задних колес на низких скоростях: а — поворот при традиционной системе рулевого управления; б — поворот при системе рулевого управления с подворотом задних колес; M₁ — мгновенный центр вращения № 1; M₂ — мгновенный центр вращения № 2; 1 — центральная ось автомобиля

С увеличением скорости движения вмешательство активного рулевого управления, а именно передаточное отношение рулевого управления, уменьшается. При этом изменяется стратегия интегрального активного рулевого управления. В то время как на низких скоростях задние колеса поворачиваются в сторону, противоположную направлению поворота, на высоких скоростях они поворачиваются в одном направлении с передними колесами (рис. 11). Мгновенный центр вращения при этом уходит назад, что обеспечивает стабилизацию при прямолинейном движении. Радиус поворота становится больше.

Рис. 11. Подруливание задних колес на высоких скоростях: M₁ — мгновенный центр вращения № 1; M₂ — мгновенный центр вращения № 2; 1 — центральная ось автомобиля; 2 — прямая, проведенная через заднюю ось; 3 — точка вращения дальше от центральной оси автомобиля; A — виртуальное удлинение колесной базы

За счет соединения с активным рулевым управлением на переднем мосту образуется дополнительный угол поворота, поэтому радиус поворота и необходимый поворот руля остаются на привычном уровне. В итоге благодаря координации вмешательств активного рулевого управления на переднем и заднем мостах перестроение происходит увереннее и без ущерба для маневренности.

Объединение активного рулевого управления с подруливанием задними колесами дает преимущество во всех скоростных режимах.

При резком торможении на дороге, одна половина которой скользкая, автомобиль начинает рыскать, уклоняясь от курса в сторону с менее скользким покрытием. В этом случае водитель обычного автомобиля должен принять соответствующие контрмеры, например поворотом рулевого управления.

При раздельном торможении регулятор динамики создает стабилизирующий момент вращения автомобиля вокруг вертикальной оси за счет поворота задних колес в сторону, противоположную направлению поворота передних колес (рис. 12). Это компенсирует рысканье автомобиля из-за однобокого воздействия тормозных усилий.

Рис. 12. Торможение автомобиля подворотом задних колес и интегральным активным рулевым управлением

Примером подворота задней оси может служить заменившая в 1991 г. механическую электронно-управляемая задняя ось (система 4WS) автомобиля Toyota Aristo (рис. 13) с электромеханическим исполнительным механизмом (рис. 14).

Рис. 13. Общий вид управляемой задней оси с электромеханическим исполнительным механизмом Toyota Aristo

Рис. 14. Электромеханический исполнительный механизм поворота задней оси Toyota Aristo: а — общий вид; б — планетарная коробка переключения передач и ее привод; 1 — пустотелый вал ротора; 2 — статор; 3 — планетарная коробка передач; 4 — гайка шпинделя; 5 — сателлит; 6 — солнечная шестерня; 7 — шпиндель (винт); 8 — шлицевая часть вала шпинделя; 9 — предохранитель от прокручивания шпинделя; 10 — водило планетарной передачи

Задние колеса здесь поворачиваются с помощью специального рулевого механизма с электроприводом, встроенного в довольно сложную заднюю подвеску. Управляет им специальный электронный блок, который получает от нескольких датчиков информацию o скорости автомобиля, угле поворота руля, передних и задних колес и т.д.

Исполнительный механизм состоит из электродвигателя (статора и ротора), планетарной передачи и вала шпинделя, воздействующего на рулевые тяги задней оси. Управляет электродвигателем ЭБУ, воспринимающий сигналы от различных датчиков рулевого управления. В зависимости от величины и времени подачи напряжения на электродвигатель изменяется скорость и время вращения ротора электродвигателя. Для увеличения крутящего момента и толкающих сил шпинделя в исполнительном механизме применяется планетарная передача.

При подаче напряжения на электродвигатель пустотелый вал 1 ротора начинает вращаться. На валу ротора имеется солнечная шестерня 6, которая через сателлиты 5 и водило 10 планетарной передачи приводит во вращения связанную с ним гайку 4 шпинделя.

Вал шпинделя, установленный внутри пустотелого вала ротора, через винт 7 начинает совершать возвратно-поступательные движения, воздействуя на рулевые тяги задней оси. Для исключения прокручивания вала шпинделя предусмотрен специальный предохранитель 9.

Работает система 4WS (от англ. 1 Wheel Steering — четыре управляемых колеса) в двух режимах. На малой скорости задние колеса поворачиваются в сторону, противоположную передним, и при маневре той же кривизны рулевое колесо нужно будет вращать на меньший угол. Это повышает чувствительность рулевого управления, и автомобиль становится более маневренным. К примеру, при развороте передние колеса будут вывернуты до упора влево, а задние — вправо на угол до 8°. Радиус разворота при этом уменьшится на 15 % по сравнению с радиусом разворота обычного автомобиля и составит всего 4,7 м.

Подобная система применяется также и в автомобилях BMW (рис. 15).

Специальный электромеханический исполнительный механизм 3 для подруливания задними колесами размещен под несущей перегородкой 1 на балке заднего моста. Механизм находится между рычагами контроля схождения 2 и 4. Контроль за работой механизма осуществляется блоком управления (рис. 15, б).

Рис. 15. Управляемая задняя ось с электромеханическим исполнительным механизмом BMW: а — общий вид (1 — несущая перегородка; 2 — левый рычаг контроля схождения; 3 — исполнительный электромеханический механизм поворота задней оси; 4 — правый рычаг контроля схождения); б — блок управления исполнительным механизмом

Электромеханический исполнительный механизм поворота задней оси (рис. 16) состоит из электродвигателя 5, перемещающего рычаги контроля схождения через винтовой вал 3. Механизм рассчитан на максимальный ход ±8 мм, что соответствует повороту колеса на ±3°.

Рис. 16. Электромеханический исполнительный механизм поворота задней оси BMW: 1 — крепление левого рычага контроля схождения; 2 — левая противопыльная манжета; 3 — винтовой вал; 4 — гайка винтового вала; 5 — электродвигатель; 6 — держатель (железный сердечник); 7 — статор; 8 — обмотка статора; 9 — постоянный магнит; 10 — правая противопыльная манжета; 11 — крепление правого рычага контроля схождения; 12 — электрический разъем

Винтовой вал подруливающего механизма самотормозящийся.

При выходе механизма из строя ТС приобретает такие же динамические показатели, как у ТС без подруливающего механизма.

Активное распределение (перераспределение) крутящего момента между передней и задней осями применяется в большинстве современных систем полного привода. Данная функция позволяет управлять динамикой автомобиля, балансируя между избыточной и недостаточной поворачиваемостью.

Распределение крутящего момента между ведущими колесами в поперечном направлении реализуется с помощью электронной блокировки дифференциала, а также некоторых способов физической блокировки.

Существенное влияние на поддержание курсовой устойчивости оказывает функция управления креном автомобиля. Данная функция осуществляется с помощью стабилизаторов поперечной устойчивости переменной жесткости и адаптивных амортизаторов в составе активной пневматической подвески.

Как известно, при обычной ходовой части жесткий стабилизатор подвески ограничивает достижимую силу бокового увода. Электронная система управления демпфированием EMS (Engine Management System) позволяет сымитировать действие как очень жесткого, так и менее жесткого стабилизатора. Поэтому через активные стабилизаторы система EMS может целенаправленно влиять на силу бокового увода. При избыточной поворачиваемости задний мост имеет слишком маленький запас бокового увода. Момент стабилизации крена на задней оси в этом случае уменьшается, боковой увод увеличивается, и автомобиль стабилизируется.

Система EMS (рис. 17) и пневматическая подвеска с электронным управлением позволяют гибко управлять характеристикой демпфирования и жесткостью упругих элементов подвески, за счет чего улучшается плавность хода и устойчивость движения автомобиля.

Рис. 17. Электронная система управления демпфированием: а — общие сведения в системе EMS; б — функции EMS; 1 — ЭБУ; 2 — исполнительный механизм системы EMS; 3 — амортизатор с изменяемой характеристикой демпфирования; 4 — датчики; 5 — переключатель системы EMS; 6 — уменьшение «приседания» ТС во время разгона; 7 — обеспечение плавности хода во время движения; 8 — уменьшение поперечных кренов кузова во время поворота; 9 — обеспечение устойчивости ТС во время движения с высокой скоростью; 10 — уменьшение «клевков» ТС во время торможения

Система EMS предназначена для управления характеристиками демпфирования амортизаторов средствами электроники. Изменение характеристик демпфирования осуществляется за счет изменения сечения проходных отверстий амортизаторов, для этого на ТС имеется специальный ЭБУ, получающий информацию о текущем положении переключателя системы EMS.

В пневматической подвеске положение каждого отдельного колеса определяется не с помощью пружин, а посредством сжатого воздуха, необходимое количество которого быстро подводится или отводится через электромагнитные клапаны к имеющим особую конструкцию амортизаторам. Пневматическая подвеска (рис. 18) состоит из передних и задних пневматических амортизационных стоек, компрессора, ресивера, БУ и датчиков, информирующих блок управления о скорости движения, нагрузке автомобиля и угле поворота рулевого колеса.

Рис. 18. Пневматическая подвеска: 1 — электронный блок управления подвеской; 2 — электронный блок управления двигателем; 3, 6 — задняя стойка с пневмоэлементом; 4 — правый задний датчик положения кузова; 5 — компрессор пневмоподвески; 7 — датчик ускорения кузова; 8, 13 — датчики ускорения колеса; 9 — левый задний датчик положения кузова; 10 — ресивер; 11 — левый передний датчик положения кузова; 12, 16 — передняя стойка с пневмоэлементом; 14 — правый передний датчик положения кузова; 15 — электронный блок управления ABS

Каждое из колес ТС имеет датчик высоты кузова (рис. 19). Для измерения высоты кузова имеется тяга, одним концом закрепленная на рычаге подвески, а другим — соединенная с поворотным рычагом датчика. Угол поворота рычага преобразуется в сигнал напряжения, который пропорционален высоте кузова относительно дороги. При увеличении высоты кузова увеличивается и напряжение на выходе датчика; при уменьшении высоты кузова выходное напряжение датчика уменьшается.

Рис. 19. Датчик высоты кузова: а — общий вид; б — схема датчика; в — график зависимости высоты кузова от напряжения; 1 — тяга; 2 — датчик вертикального ускорения; 3 — сжатие; 4 — отбой; 5 — поворотный рычаг датчика; 6 — переменное сопротивление

Для измерения вертикальных ускорений предусмотрен датчик вертикального ускорения (рис. 20), в передней части ТС он встроен в один из передних датчиков высоты кузова, в задней — установлен в багажнике. При вертикальных перемещениях кузова пьезокерамическая пластина, расположенная внутри датчика, деформируется и на ее поверхности образуется электрический заряд, который преобразуется в сигнал напряжения. Если вертикальное ускорение направлено вверх, то напряжение на выходе датчика увеличивается; если вертикальное ускорение направлено вниз, то напряжение датчика уменьшается.

Рис. 20. Датчик вертикального ускорения: а — общий вид; б — пьезоэлектрическая пластина; в — зависимость напряжения от вертикального ускорения; г — принцип работы датчика; 1 — электронная схема; 2 — диафрагма; 3 — диск из пьезокерамики

Исполнительный механизм системы EMS (рис. 21) расположен в верхней части амортизатора. Исполнительный механизм изменяет характеристики демпфирования амортизатора за счет изменения положения поворотного клапана, расположенного внутри амортизатора. Поворотный клапан, связанный с валом исполнительного механизма, поворачивается на определенный угол по сигналам ЭБУ системы EMS и пневматической подвески.

Рис. 21. Амортизатор (а) и исполнительный механизм (б) системы EMS: 1 — амортизатор; 2 — пневмобаллон; 3 — исполнительный механизм системы EMS; 4 — воздушная камера; 5 — ограничитель хода сжатия; 6 — упругая оболочка; 7 — ограничитель хода отбоя; 8 — азот под низким давлением; 9 — клапан с большим проходным сечением; 10 — поворотный клапан; 11 — клапан с малым проходным сечением; 12 — обмотки; 13 — вал ротора; 14 — выход к поворотному клапану амортизатора; 15 — ротор; 16 — статоры; 17 — сопротивление амортизатора велико («жесткий» амортизатор); 18 — сопротивление амортизатора мало («мягкий» амортизатор)

Узлы и механизмы подвески соединены друг с другом воздушными магистралями и подключены в электрическую систему автомобиля с помощью многофункциональной шины электронной передачи данных CAN. Подвеска автоматически активизируется, как только открывается дверь автомобиля. Таким образом, еще до начала движения корректируются клиренс и упругость пневматических амортизаторов.

После этого в работу подвески имеет право вмешаться и сам водитель, который может установить нужный дорожный просвет, подняв или опустив кузов автомобиля, например для более удобной загрузки багажника либо присоединения прицепа. Кроме того, водитель может выбрать режим — комфортный или спортивный, в котором будет работать подвеска во время движения. Комфортный режим позволяет водителю и пассажирам буквально «парить» над дорогой, спортивный — улучшает устойчивость и безопасность на больших скоростях движения. Вместе с тем индивидуальное регулирование жесткости амортизаторов на каждом колесе по отдельности позволяет учитывать крен кузова и скорость, с которой автомобиль входит в поворот, оценивать угол поворота и скорость поворота руля. Тем самым жесткость амортизационных стоек может автоматически изменяться в движении так, что будет найден самый оптимальный и эффективный режим работы подвески, адекватно отвечающий конкретным дорожным условиям с точки зрения как безопасности, так и комфортности. Например, при торможении передние колеса будут подрессориваться более жестко, чем задние, а при ускорении — наоборот, но в обоих случаях это позволит избежать неприятного продольного «клевка» кузова.

Пневматическая подвеска автоматически приспосабливается к различной загрузке автомобиля и способна выбирать величину дорожного просвета, ориентируясь на дорожные условия (рис. 22).

Рис. 22. Последовательность процессов автоматического повышения и снижения уровня кузова (на примере Volkswagen Phaeton): HN — повышенный уровень; NN — номинальный уровень; TN — пониженный уровень

При помощи пневматической подвески можно регулировать величину следующих положений дорожного просвета автомобиля:

• обычное положение для движения в городе;
• пониженное положение для езды на высокой скорости для улучшения динамики и уменьшения силы сопротивления воздуха;
• повышенное положение для движения по пересеченной местности и по плохим дорогам.

Номинальный уровень дорожного просвета устанавливается и автоматически поддерживается постоянным при движении со скоростью 80 км/ч и выше, а также во время быстрого разгона до скорости 120 км/ч.

При повышенном уровне (HN) дорожного просвета автоматическое снижение его на 25 мм до номинального (NN) происходит при скоростях более 120 км/ч. Если уровень был номинальным (NN), снижение его до пониженного (TN), на 15 мм ниже номинального, происходит через 30 с после превышения скорости 140 км/ч или менее чем через 30 с, если скорость достигнет 180 км/ч. Понижение центра тяжести делает автомобиль более устойчивым, а также одновременно улучшает аэродинамические характеристики, что значительно снижает расход топлива.

Автоматическое повышение уровня дорожного просвета от пониженного (TN) до номинального (NN) происходит через 60 с после снижения скорости до 100 км/ч или менее чем через 60 с, если скорость станет менее 80 км/ч.

Чтобы выбрать уровень дорожного просвета кузова, следует нажать предназначенную для этого клавишу и на дисплей будет выведено изображение, соответствующее выбранному уровню кузова (повышенный (HN) или номинальный (NN)). Номинальный дорожный просвет устанавливается по умолчанию.

Уровень дорожного просвета кузова определяется четырьмя датчиками уровня кузова, установленными между подрамниками и нижними рычагами подвески. Результаты измерений сравниваются с заданными величинами, сохраняемыми в памяти БУ. Заданные величины вводятся в память для каждого автомобиля индивидуально.

Воздух, необходимый для регулирования подвески, обычно подается компрессором под давлением до 1,57 МПа. Компрессор обеспечивает регулирование уровня кузова при скоростях ТС свыше 35 км/ч. При необходимости сжатый воздух подается также в ресивер. При скоростях ниже 35 км/ч уровень кузова регулируется за счет подачи воздуха из ресивера.

Если дорожный просвет автомобиля изменяется в результате его загрузки или разгрузки, БУ включает систему регулирования, возвращающую кузов на первоначально заданный уровень. При этом подача воздуха из упругих элементов производится через соответствующие им электромагнитные клапаны, а выпуск из них — через выпускной клапан.

Основной составляющей пневматической подвески является пневматический упругий элемент (пневмобаллон), который состоит из корпуса с наружной направляющей, манжеты, поршня (являющегося нижней частью корпуса элемента), дополнительного пневмоаккумулятора (в некоторых конструкциях) и встроенного амортизатора (рис. 23).

Рис. 23. Пневматический упругий элемент с амортизатором: 1 — наружная направляющая манжеты; 2 — воздушная полость; 3 — верхняя часть корпуса; 4 — газовая полость амортизатора; 5 — манжета; 6 — двухтрубный гидравлический амортизатор; 7 — компенсационная полость амортизатора; 8 — поршень 

В зависимости от принятой кинематической схемы подвески оси пневмобаллоны могут устанавливаться не только совместно с амортизаторами, но и отдельно от них.

Манжета пневматического упругого элемента изготовляется из специального многослойного высококачественного эластомера, армированного полиамидной кордовой тканью, которая придает ему необходимую прочность. Корд воспринимает усилия, передаваемые на упругий элемент. Изнутри манжета покрыта защитным слоем, обеспечивающим ее герметичность. Комбинацией слоев корда достигается необходимая гибкость манжеты при ее перекатывании и высокая чувствительность упругого элемента к изменению нагрузки.

Блок управления оснащен двумя дублирующими друг друга процессорами, из которых один в первую очередь отрабатывает алгоритм управления пневматическими элементами, а другой регулирует сопротивление амортизаторов.

Система регулирования сопротивления амортизаторов обрабатывает сигналы четырех датчиков ускорений колес и трех датчиков ускорений кузова, по результатам этой обработки оценивает состояние дороги и движения автомобиля и изменяет характеристики каждого из амортизаторов в соответствии с рассчитанной интенсивностью гашения колебаний. При этом амортизаторы работают на ходах сжатия и отдачи как полуактивные компоненты. Бесступенчатое регулирование демпфирования производится благодаря применению амортизаторов, характеристики которых изменяются посредством электрических исполнительных устройств. Эти амортизаторы встроены в стойки с пневматическими упругими элементами. Силы сопротивления амортизатора регулируются посредством встроенного в него пропорционально действующего (электромагнитного) клапана. Регулирование производится по многопараметровой характеристике. Сопротивление амортизаторов меняется в зависимости от характера движения автомобиля и состояния дороги в течение нескольких миллисекунд.

Принципиально изменение сопротивления амортизаторов производится в соответствии с так называемой стратегией подвески к небу. Амортизаторы регулируются в зависимости от вертикальных ускорений колес и кузова автомобиля. В идеальном случае регулирование осуществляется таким образом, как будто кузов автомобиля подвешен на крюке к небу и плывет над дорогой, практически не повторяя неровностей дороги. Так достигается максимальная комфортабельность автомобиля.

Кроме описанной выше схемы, могут применяться и другие амортизаторы с электронной системой управления демпфированием, например двухтрубный газонаполненный амортизатор типа CDC (от англ. Continuous Damping Control — амортизатор с гидравлическим демпфированием), который оснащен встроенным в поршень или установленным снаружи амортизатора электромагнитным клапаном, позволяющим изменять степень демпфирования амортизатора (рис. 24). Изменением тока, проходящего по обмотке электромагнитного клапана, можно в течение нескольких миллисекунд изменить его проходное сечение и, следовательно, сопротивление амортизатора в соответствии с текущей потребностью.

Рис. 24. Амортизатор с регулируемым сопротивлением перетекания жидкости: 1 — дополнительные клапаны; 2 — цилиндр амортизатора; 3 — корпус амортизатора; 4 — корпус клапана; 5 — кабель подвода тока; 6 — полый шток поршня; 7 — обмотка электромагнитного клапана; 8 — якорь; 9 — пружина клапана; 10 — главный клапан амортизатора; 11 — потоки рабочей жидкости

Необходимое сопротивление амортизаторов при данных условиях движения автомобиля рассчитывается на основании сигналов датчиков всех ускорений колес автомобиля, установленных на каждом из амортизаторов, и датчиков ускорений кузова. Благодаря высокой скорости распознавания и регулирования процессов демпфирования при ходе сжатия и отдачи обеспечивается установка характеристики сопротивления амортизатора строго в соответствии с моментальным состоянием движения автомобиля. Многопараметровые зависимости сопротивления амортизаторов от условий движения автомобиля записаны в памяти БУ уровнем кузова.

Чтобы выбрать настройку амортизаторов, следует нажать предназначенную для этого клавишу. Вращая поворотно-нажимную ручку, можно выбрать один из трех вариантов настройки амортизаторов: комфортный, базовый (устанавливается по умолчанию) и спортивный.

Таким образом, с помощью объединения различных систем автомобиля достигается высокая динамика при сохранении безопасности движения.