Теория

Устойчивость и управляемость автомобиля при поворотах во многом зависит от направления следования задней оси по колее передней, которое 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 автомобиля. Во-первых, повышается чувствительность автомобиля к повороту рулевого колеса. Ведь при тихой езде по городским улочкам 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. Во-вторых, улучшается маневрирование 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.

Рулевое управление всеми колесами может работать в одном из двух режимов: с поворотом колес передней и задней осей в разные стороны или в одну и ту же сторону.

При малых скоростях, примерно до 40 км/ч, задние колёса автоматически поворачиваются в противоположную сторону относительно передних колёс (рис.5.1.44, а). Преимущества рулевого управления всеми колёсами особенно заметны при маневрировании. Диаметр разворота уменьшается примерно на один метр: с 12 до 11 м. За счёт этого улучшаются манёвренные качества автомобиля.

Если скорость становится выше 40 км/ч, то задние колёса при повороте рулевого колеса автоматически поворачиваются в ту же сторону, что и передние (рис.5.1.44, б). За счёт этого улучшается устойчивость, а, следовательно, и безопасность движения.

Рисунок 5.1.44 – Режимы работы рулевого управления

1. Поворот передних и задних колес в разные стороны (рис.5.1.45)

Рисунок 5.1.45 – Схема движения автомобиля на повороте

Главное преимущество поворота передних и задних колёс в разные стороны заключается в улучшении манёвренности автомобиля при малых скоростях, а также в уменьшении коридора движения автомобиля. Для водителя это выражается в том, что он может поворачивать рулевое колесо на меньший угол при том же радиусе поворота и той же скорости. Автомобиль в движении воспринимается как намного более манёвренный и отзывчивый. Для полного использования преимуществ поворота колёс в разные стороны эта функция активируется только в нижнем диапазоне скоростей (до прим. 40 км/ч).

На рисунке 5.1.45 преимущество управляемой задней подвески показано на примере разворота с минимальным радиусом. Хорошо видно, что радиус разворота R2, достигаемый при использовании управляемой задней подвески, заметно меньше, чем в обычном случае (R1).

2. Поворот колес в одну сторону

2.1. Изменение направления движения автомобиля с управляемыми передними колесами

Водитель инициирует поворот автомобиля — для изменения направления его движения — вращением рулевого колеса, поворачивая тем самым передние колёса автомобиля (рис.5.1.46, а). Вследствие деформации пятна контакта шин (возникающей из-за поворота колёс), передние колёса начинают передавать на кузов боковые усилия.

Чтобы автомобиль мог начать поворачиваться относительно вертикальной оси, на колёсах задней оси должно возникнуть соответствующее противонаправленное боковое усилие реакции.

Вслед за этим боковое усилие изменит своё направление под воздействием стремящейся к наружной стороне поворота массы автомобиля, и только после этого может начать создаваться поперечное ускорение (рис.5.1.46, б).

Рисунок 5.1.46 – Поворот автомобиля с управляемыми передними колесами

Изменение направления движения автомобиля поворотом только передних колёс приводит к возникновению довольно большого момента рыскания (вращательного движения относительно вертикальной оси) до тех пор, пока автомобиль не перейдёт снова в стационарное состояние движения. Следствием этого может быть снижение уровня комфорта вплоть до возникновения нестабильных состояний. Например, резкий поворот водителем рулевого колеса для объезда неожиданно появившегося препятствия может привести к возникновению вращательных колебаний относительно вертикальной оси, которые могут негативно влиять на курсовую устойчивость автомобиля.

2.2. Изменение направления движения автомобиля с управляемой задней осью

Водитель инициирует поворот автомобиля — для изменения направления его движения — вращением рулевого колеса, поворачивая тем самым передние колёса автомобиля (рис.5.1.47, а). Система реагирует на действия водителя, одновременно поворачивая задние колёса в том же направлении. Вследствие деформации пятна контакта шин всех четырёх колёс, параллельно боковым усилиям со стороны передних колёс на кузов будут передаваться действующие в том же направлении боковые усилия со стороны задних колёс. В результате возникающий момент рыскания, то есть момент поворота относительно вертикальной оси, оказывается существенно меньше, чем на автомобиле с управляемыми передними колёсами. Так как боковые усилия одновременно действуют на колёса обеих осей, период перехода от поворота рулевого колеса к установлению стационарного состояния автомобиля ощутимо сокращается по сравнению с автомобилем, у которого управляются только передние колёса. Изменение направления движения выполняется намного более плавно и комфортно, а также уменьшается вероятность рыскания (возникновения вращательных колебаний относительно вертикальной оси).

Рисунок 5.1.47 – Поворот автомобиля с управляемой задней осью

Стационарное состояние достигнуто, автомобиль движется по заданной водителем окружности (рис.5.1.47,б).

В то время как поворот задних колёс в противоположном направлении используется при небольших скоростях движения, поворот задних колёс в том же направлении, что и передних, выполняется при более высоких скоростях.

Помимо уже названных преимуществ, такая схема ограничивает скорость поворота относительно вертикальной оси, возникающую при маневрировании для объезда внезапно появившегося препятствия. В таких ситуациях задние колёса поворачиваются в том же направлении, что и передние, в большей степени, чем обычно, для повышения курсовой устойчивости автомобиля.

Преимущества рулевого управления всеми колесами при неожиданных маневрах объезда препятствий изображены на рисунке 5.1.48.

Если при скоростях выше 40 км/ч на дороге неожиданно обнаруживаются препятствия и водителю приходится уклоняться, то возникают опасные дорожные ситуации. В автомобилях без рулевого управления всеми колёсами задние колёса не могут следовать за углом поворота передних колёс (рис.5.1.48, а).

Рисунок 5.1.48 (а) – Схема движения автомобиля при резкой смене полосы движения: маневр объезда/ смена полосы движения автомобиля с обычным рулевым управлением

В автомобилях с рулевым управлением всеми колёсами задние колёса поворачиваются однонаправленно с передними колёсами. Манёвр объезда происходит более плавно, опасные дорожные ситуации предотвращаются (рис.5.1.48, б).

Рисунок 5.1.48 (б) – Схема движения автомобиля при резкой смене полосы движения: маневр объезда/ смена полосы движения автомобиля с рулевым управлением всеми колесами

Поворот колёс задней оси (изменение угла их схождения) осуществляется активным исполнительным механизмом. Направляющие тяги крепятся к корпусам колёсных подшипников через резинометаллические сайлент‑блоки, как и на обычной задней подвеске. Но, в отличие от обычной задней подвески, направляющие тяги другими своими концами крепятся (также через резинометаллические сайлент-блоки) с обеих сторон не к подрамнику, а к исполнительному механизму.

Весь узел, состоящий из исполнительного механизма, привода и электронного блока управления, установлен на подрамнике и синхронно поворачивает оба колеса на один и тот же угол. Поскольку угол поворота не превышает прим. 5°, специальные поворотные кулаки, как в подвеске передних колёс, не требуются. Изменение углов поворота колёс обеспечивается за счёт эластичности сайлент-блоков в соединениях рычагов подвески с подрамником.

Рулевое управление всеми колесами состоит из следующих компонентов (рис.5.1.49):

— блок управления управляемой задней оси J 1019;

— привод с винтовой передачей.

Рисунок 5.1.49 – Исполнительный механизм поворота колес задней оси

Электродвигатель приводит во вращение гайку ходового винта через ремённую передачу. Вращение гайки преобразуется в прямолинейное движение ходового винта. Закреплённые на нём направляющие тяги передают это движение на корпуса ступичных подшипников, приводя к одновременному повороту колёс в одну и ту же сторону: вправо или влево (в зависимости от направления вращения электродвигателя). Благодаря шагу и трапециевидному типу резьбы гайки/ходового винта, механизм является самостопорящимся.

Напряжение на электродвигатель подаётся только непосредственно во время поворота колёс, в остальное время электродвигатель не приводится в действие. Удерживающие усилия возникают исключительно за счёт самостопорящихся свойств винтовой передачи.

Максимальный ход винта (из среднего положения) составляет прим. 9 мм, что соответствует максимальному углу поворота колёс прим. 5°.

Датчик нулевого положения рулевого механизма (рис.5.1.50) регистрирует нулевое, «среднее» положение ходового винта, то есть такое, при котором поворот колёс отсутствует. Датчик работает на основе эффекта Холла. Для этого на ходовом винте имеется штырь с закреплённым на нём постоянным магнитом. Распознавание положения ходового винта происходит в узком угловом диапазоне в области нулевого положения. Перед собственно датчиком Холла на плате датчиков расположены также ещё два выключателя Холла. Эти выключатели служат для определения направления движения ходового винта.

Рисунок 5.1.50 – Датчик нулевого положения рулевого механизма

Для привода механизма используется трёхфазный бесщёточный синхронный электродвигатель (рис.5.1.51). Трёхфазный ток для него создаётся в преобразователе AC/DC в силовом выходном каскаде блока управления. В электродвигателе имеется датчик положения ротора. Этот датчик регистрирует положение ротора с очень высокой точностью.

Рисунок 5.1.51 – Электродвигатель

Блок управления и выходной каскад представляют собой единый компактный узел, защищённый от брызг и влаги и привинчиваемый к электродвигателю. Блок управления подключён к шине FlexRay как низкоомное оконечное устройство. На основе поступающих в него определённых команд он рассчитывает необходимые значения тока для активации электродвигателя. Преобразователь AC/DC обеспечивает соответствующие значения напряжения, подаваемого на электродвигатель.

Для выполнения своих функций системе управления задней осью всегда требуются следующие измеряемые величины/данные:

• Угловые скорости вращения колёс

Значения угловых скоростей вращения колёс в виде сообщений отправляются блоком управления ABS J104 на шину FlexRay. Блок управления управляемой задней подвески J1019 рассчитывает на их основе эталонную скорость автомобиля, которая в порядке резервирования сравнивается с эталонной скоростью автомобиля, определённой системой ES P .

• Угол поворота рулевого колеса

Этот угол поворота регистрируется датчиком угла поворота рулевого колеса G85 и также передаётся в виде сообщения по шине FlexRay.

На основе двух главных параметров: скорости автомобиля и угла поворота колёс передней оси — блок управления рассчитывает требуемый угол поворота колёс задней оси.

При кодировке блока управления в нём сохраняются характеристики, задающие угол поворота задних колёс в зависимости от скорости автомобиля и угла поворота передних колёс (угла поворота рулевого колеса). Разные характеристики соответствуют разному характеру работы рулевого управления/динамическому поведению автомобиля (желание водителя). Характеристики активируются в зависимости от выбранной водителем настройки drive select и обеспечивают различные варианты поведения рулевого управления: от ориентированного на комфорт до спортивного.

Если поворот водителем рулевого колеса происходит на невысоких скоростях (до прим. 40 км/ч), задние колёса отклоняются в противоположную передним сторону на угол около 5°.

При этом угол поворота задних колёс тем больше, чем больше угол поворота передних колёс (поворота рулевого колеса водителем), учитывается также скорость движения автомобиля.

При более высоких скоростях (начиная прим. с 50 км/ч) задние колёса поворачиваются в ту же сторону, что и передние, но на заметно меньший угол.

При неподвижном автомобиле задние колёса всегда находятся в нейтральном положении (исходное положение). Точное положение определяется исходя из анализа измеряемых величин датчика нулевого положения и датчика положения ротора.

В исключительных случаях полный возврат задних колёс в нейтральное положение может оказаться невозможным вследствие недостаточности возвратного усилия. Такое может происходить в основном из-за загрузки автомобиля (большой вес, приходящийся на ось), а также из-за свойств дорожного покрытия (высокий коэффициент трения). В этом случае возврат колёс в точное нейтральное положение происходит, только когда автомобиль снова начинает движение. Система соответствующей индикацией предупреждает водителя, что колёса не находятся в нейтральном положении.

Парковочный автопилот и ассистент маневрирования с прицепом могут «запрашивать» определённый угол поворота колёс задней оси. При этом названные блоки управления передают точные значения угла поворота колёс, которые затем обеспечиваются блоком управления управляемой задней оси J1019.

Система ES P также может оказывать определённое влияние на функционирование управляемой задней оси. В тех случаях, когда это требуется для поддержания курсовой устойчивости автомобиля, ESP может блокировать поворот задних колёс.