При движении рулем передние колеса двигаются вправо или влево. А что происходит с задними колесами? Они движутся параллельно и не куда не поворачивают. Но есть одно исключение. На некоторых автомобилях применяют подруливающие задние колеса.
Они были изобретены для лучшей управляемости автомобиля в поворотах или при развороте в очень тесном переулке. Принцип действия задних подруливающих колес состоит в том, что когда вы поворачиваете передние колеса до упора вправо, то задние колеса наоборот движутся в левую сторону.
Это очень помогает при ограниченном развороте автомобиля в достаточно узком месте. Но угол отклонения задних колес не велик, максимально он может достигать значения в три градуса. Но и этого хватит, чтобы уменьшить угол разворота автомобиля примерно на 0,6 — 0,8 метра.
При городском движении автомобиля задние колеса тоже поворачиваются в противоположную сторону от передних колес, но на угол 1-2 градуса. А вот при скорости автомобиля более 60 км/ч задние колеса поворачиваются в одну сторону с передними колесами. Это позволяет автомобилю чуть лучше описывать повороты дороги.
Принцип работы задних подруливающих колес автомобиля очень прост. На заднем подрамнике автомобиля расположен электромотор, который посредством рулевых тяг приводит в движение ступицы задних колес. Электромотор получает сигнал от блока управления, куда подается вся информация. Информация идет от датчиков положения руля, скорости колес автомобиля и акселерометров, которые способны различать избыточную или недостаточную поворачиваемость машины.
4ws или 4 поворачивающих колеса
И при поворотах во многом зависит 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. значительно улучшают маневрирование автомобилем:
- 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 «острые» рулевое управление может вызвать проблемы – автомобиль будет слишком резко реагировать даже на небольшие подруливания.
- Во вторых – улучшить маневренность автомобиля при парковке или развороте в стесненных городских условиях, то есть уменьшить радиус поворота.
- И в третьих – повысить курсовую устойчивость при резких маневрах на высокой скорости.
Поворот задних колес в ту же сторону, что и передних, позволяет сохранить направление и скорость движения центра масс автомобиля, но значительно увеличить мгновенный радиус поворота. При этом уменьшаются действующие на автомобиль и, как следствие, повышается курсовая устойчивость.
При движении на малой скорости задние колеса поворачиваются в противофазе с передними, 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. Автомобиль при этом 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.
Рис. Радиус поворота обычного автомобиля (МЦП – мгновенный центр поворота) и автомобиля со всеми управляемыми колесами (4WS)
В связи с эти некоторые производители вносят в конструкцию автомобиля управление задней осью. Одной из первых такую конструкцию механического управления задней осью представила фирм Мицубиси.
Рис. Механическое управление задней осью:
1 – масляный насос; 2 – ресивер; 3 – рулевой механизм с гидроусилителем; 4 – рулевое колесо; 5 – золотник; 6 – редукционный клапан; 7 – масляный насос задней оси; 8 – силовой цилиндр
В общую систему управления автомобилей входят рулевой механизм с гидроусилителем силовым цилиндром) управления передней осью 3, масляный насос 1, масляный насос управления задней осью 7, гидрораспределитель управления задней осью с золотником 5 и редукционным клапаном 6, силового цилиндра управления задней осью 8, рулевых тяг поворота передней и задней осью.
При повороте передних колес управляющее давление силового цилиндра передних колес передается в силовой цилиндр задних колес. При этом учитывается давление в системе, скорость поворота и уровень боковой нагрузки передней оси. Управляющее давление воздействует на золотник гидрораспределителя задней оси. В зависимости от воздействующего давления золотник передвигаясь открывает на определенную величину масляные каналы, по которым рабочая жидкость подается в силовой цилиндр управления задней осью. Поршень силового цилиндра, передвигаясь, воздействует на рулевые тяги задней оси, поворачивающие на необходимый угол заднюю ось.
По мере развития электронных систем управления их стали применять и в управлении задней оси (4WS). Примером может служить электронно управляемая задняя ось автомобиля Тойота Аристо, которая в 1991 году сменила механическую, общий вид которой показан на первом рисунке, а схема исполнительного механизма на втором рисунке. Подобная система применяется также и в автомобилях БМВ.
Рис. Общий вид управляемой задней осью с электромеханическим исполнительным механизмом
Рис. Электромеханический исполнительный механизм поворота задней оси:
1 – ротор (пустотелый вал); 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. А управляет им специальный электронный блок, который получает от нескольких датчиков информацию о скорости автомобиля, об 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. Управление электродвигателем осуществляется от электронного блока управления, воспринимающего 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 ротора 1 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 шпинделя 4. 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 10.
Работает система 4WS 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 восьми градусов. Радиус разворота при этом уменьшится на 15% по сравнению с обычным автомобилем и составит всего 4,7 метра.
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.
Статьи / Практика
Я твой подвеска рычаг шатал: как проводят диагностику ходовой части
Зачем нужна диагностика? Начнём с простого вопроса: почему иногда нужно проверять подвеску? Первый случай - хрестоматийный. То есть что-то внизу стучит, лязгает, щёлкает, а иногда - грохочет и отдаёт в руль и пятую...
44704 4 29 09.01.2017
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.
Статьи / История
Мягкость и жесткость подвески – что важнее для комфорта?
Специалисты-подвесочники могут рассказать множество интересных примеров из практики, а мне придется ограничиться лишь кратким рассказом о том, почему жестче не всегда цепче, а мягче не всегда...
75887 0 37 05.03.2015
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.
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.
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.
Существующие системы подруливающих задних колес, устанавливаемые на некоторые современные легковые и большие грузовые машины, ответа на интересующий нас вопрос не дадут. Они именно подруливают, а не рулят. Основную роль играют передние колеса. При этом в мире хватает транспорта, который управляется исключительно задними колесами. Например, всевозможные погрузчики: от складских вилочных малюток до карьерных гигантов. Повышенная маневренность, обусловленная задними рулевыми колесами, для них - необходимость. Так чем же хуже в этом смысле легковой транспорт?
Одно из первых объяснений такой «несправедливости» из числа прочих приходящих на ум, - сила традиции. Как повелось «испокон автомобилизма» делать переднюю ось , так и идет. Но звучит оно, согласитесь, слабовато. Сколько лет был привычен и традиционен, например, задний привод. Но как только придумали более удобный передний, весь мир немедленно наплевал на «традицию» и переориентировался на переднеприводный тип легковушки. Вторая версия, объясняющая факт преобладания передних управляемых колес, - технологическая. Водитель сидит в передней части машины, поэтому «баранка» тоже находится в передней ее части. В таких условиях «тянуть» механизм управляемых колес к задней оси - сильно усложнять конструкцию ради совершенно не очевидных преимуществ.
Короче говоря, овчинка выделки не стоит. Версия эта представляется вполне жизнеспособной. Главная же причина, по которой управляемые колеса у большинства машин - передние, совершенно иная. Подсказкой тут может служить именно высокая тех же погрузчиков, поворотом задних колес способных развернуться практически на месте. Дело в том, что поворачивающие задние колеса сообщают транспортному средству избыточную поворачиваемость. На скоростях 5-10 км/ч она - благо, обеспечивающее великолепную маневренность. Но когда речь идет даже немногим большей, каждый поворот задних колес будет приводить к заносу кормы машины.
Представьте тот же погрузчик, едущий по улице города с типичной «автомобильной» скоростью 50-60 км/ч. Легковушка на такой скорости спокойно впишется в плавный поворот дороги. А наш условный погрузчик, в лучшем случае, развернется боком и, скорее всего, еще и перевернется. Теперь представим, что будет с машиной, рулящей «задом», около 100 км/ч, да еще в дождь, когда дорога скользкая. Малейшее перестроение - и она закрутится волчком. Именно поэтому, кстати, на всех современных легковушках, оснащенных подруливающей задней подвеской, на больших скоростях задние колеса поворачиваются в ту же сторону, что и передние - чтобы машина смещалась в сторону практически боком, а не поворачивала поперек общему направлению движения.
Когда водители управляют обычным автомобилем, они поворачивают рулевое колесо, и вслед этому движению передние колеса меняют свое направление - в то время как задние колеса постоянно направлены прямо вперед.
Такова стандартная система, называемая "двухколесное руление" или, сокращенно, 2 WS. Однако некоторые фирмы сейчас выпускают автомобили с четырехколесным рулением (4 WS). Системы 4 WS разных фирм отличаются друг от друга, но в большинстве из них задние колеса поворачиваются в ту же сторону, что и передние, если автомобиль делает вираж на большой скорости. На малых скоростях направление поворота задних колес при 4 КР противоположно направлению поворота передних. Такая особенность позволяет, в частности, совершать более крутые повороты, что полезно при движении по городу или при парковке в тесных местах. Дорожные испытания систем 4 WS показали, что подобные системы обеспечивают большую безопасность движения. И все же четырехколесное руление не получило пока еще широкого распространения. Из-за того, что стоимость системы 4 WS, по мнению водителей, не оправдывает получаемых с ее помощью преимуществ.
Два колеса против четырех
В 2 КР автомобилях (внизу слева) поворачиваются лишь передние колеса. Если же меняет направление движения 4 КР автомобиль, то могут поворачиваться все четыре колеса (справа).
Как 4 КР поворачивают колеса
Допустим, две машины: 2 КР (голубая) и 4 КР (желтая на рисунке над текстом) начинают с одного места (зеленого) делать медленный крутой поворот. Благодаря повороту задних колес машина 4 КР поворачивает круче машины 2 КР и, значит, ей требуется меньше места для поворота.
Если эти две машины будут совершать плавный широкий поворот (как показано на правом рисунке), то все колеса машины 4 КР идут, как говорят, колея в колею, и таким образом обеспечивается более надежное сцепление колес с дорожным полотном.
Смена полосы движения
Если водитель перестраивается в другую полосу на скоростном шоссе, то у 2 КР автомобиля проявляется "эффект рыбьего хвоста": его заднюю часть заносит, потому что задние колеса стремятся идти по старому направлению. Чтобы исправить такое положение, водителю приходится дважды поворачивать рулевое колесо до смены полосы и дважды поворачивать его после смены полосы. У 4 КР автомобиля нет эффекта рыбьего хвоста.
Рулевое колесо и система 4 WS
чувствительные датчики в системе 4 КР следят за тем, насколько повернуто рулевое колесо и, следовательно, передние колеса в каждый момент времени (красная линия на рисунке). Когда угол поворота руля невелик (первые две колонки), система 4 КР оставляет задние колеса прямо или слегка разворачивает по направлению передних колес. При более резких поворотах - когда рулевое колесо делает более одного полного оборота (четвертая колонка) - система 4 КР поворачивает задние колеса в противоположную сторону.