Принцип работы AFS — системы активного рулевого управления

Автоматика, вооружённая алгоритмами лучших инженеров и испытателей мира, уже давно знает, как правильно управлять автомобилями лучше подавляющего большинства их водителей. Но полностью довериться ей люди пока не готовы, новшества внедряются постепенно, с сохранением возможностей ручного управления. Примерно по такому принципу и построена система активного привода рулевого управления AFS.

Алгоритм работы системы

Основная особенность AFS – это переменное передаточное число рулевого редуктора. Организовать зависимость данного параметра от скорости, а тем более от некоторых других влияющих факторов, оказалось не так и просто, как может показаться специалистам по автоматике. Жёсткий механический привод от руля на управляемые колёса необходимо было сохранить, к полному внедрению системы управления чисто по электрическим проводам автомобильный мир ещё не скоро перейдёт. Поэтому компанией Bosch был приобретён патент у американского изобретателя, после чего совместно с BMW разработана оригинальная система рулевого управления, получившая название AFS – Active Front Steering. Почему именно «Front» — существуют системы активного типа, задействующие доворот ещё и задних колёс.

Принцип прост, как всё гениальное. Использовалось обычное реечное рулевое управление с гидроусилителем. Но в разрез вала рулевой колонки встраивалась планетарная передача. Её передаточное число в динамическом режиме будет зависеть от скорости и направления вращения наружной шестерни с внутренним зацеплением (коронной). Ведомый вал как бы догоняет или отстаёт от ведущего. А управляет этим электромотор, который через насечку на внешней стороне шестерни своим червячным приводом приводит её во вращение. При достаточно высоком быстродействии и крутящем моменте.

Новые качества, которые обрела AFS

У тех, кто садился за руль новых BMW, оборудованных AFS, первые ощущения граничили с испугом. Автомобиль неожиданно резво реагировал на руление, заставляя забывать привычки «наматываться» на руль в парковочных режимах и маневрировании на малых скоростях. Машину переставляло на дороге подобно гоночному карту, а небольшие повороты руля при сохранности лёгкости заставляли по-новому взглянуть на процессы разворотов в стеснённом пространстве. Опасения, что автомобилем с такими реакциями будет невозможно управлять на больших скоростях, быстро развеялись. При движении в темпе 150-200 км/ч машина приобретала неожиданную солидность и плавность, хорошо удерживая стабильное состояние и не пытаясь сорваться в скольжение. Можно было сделать следующие выводы:

• передаточное число рулевого редуктора при изменении примерно вдвое с ростом скорости обеспечивало удобное и безопасное управление во всех режимах;
• в экстремальных режимах на грани скольжения автомобиль проявлял неожиданную устойчивость, что явно не было связано лишь с переменным передаточным числом рулевого редуктора;
• поворачиваемость всегда сохранялась на оптимально сбалансированном уровне, машина не стремилась ни к заносу задней оси, ни к сносу передней;
• от мастерства водителя мало что зависело, помощь автомобиля была явно заметна;
• даже если автомобиль заведомо агрессивными действиями опытного водителя намерено вводился в занос, управлять в нём было легко, а машина сама из него выходила, как только прекращались провокации, причём абсолютно точно и без контрзаносов.

Сейчас на нечто подобное способны многие системы стабилизации, но это было только начало века, да и задействовалось лишь рулевое управление, без тормозного и тягового векторных моментов.

За счёт чего образовывался эффект активного руления

Электронный блок управления собирает информацию от набора датчиков, следящих за поворотом руля, направлением движения автомобиля, угловыми ускорениями и многими иными параметрами. В соответствии с зафиксированным режимом он не просто изменяет передаточное число, как это организовано в зависимости от скорости, а организовывает активное подруливание, вмешиваясь в действия водителя. Это первый шаг к автономному управлению.

При этом связь между рулём и колёсами остаётся без изменений. При отключении электроники, искусственном или вследствие неисправностей, вал электродвигателя, вращающего планетарный механизм, останавливается и стопорится. Управление превращается в обычный реечный механизм с усилителем. Никаких steer by wire, то есть управления по проводам. Только планетарный редуктор с управляемой коронной шестерней.

На больших скоростях система позволяла очень точно и плавно переставлять автомобиль из полосы в полосу. Частично реализовывался тот же эффект, что и при подруливании задней оси – её колёса точнее следовали за передними, не провоцируя избыточной поворачиваемости и заносов. Достигалось это автоматическим изменением угла поворота на управляемой оси.

Конечно, система получилась более сложной, чем традиционное рулевое управление, но ненамного. Планетарный редуктор и дополнительный электропривод незначительно увеличивает стоимость, а все функции возлагались на компьютер и программное обеспечение. Это позволило внедрить систему на все серии машин BMW, от первой до седьмой. Блок механотроника компактен, внешне похож на обычный электроусилитель руля, примерно так же оставляет у водителя чувство автомобиля, обеспечивает обратную связь и становится интуитивно понятен после быстрого привыкания к изменяющейся остроте руля.

Надёжность системы не сильно отличается от традиционного механизма. Наблюдается лишь чуть более интенсивный износ зубчатой рейки и приводной шестерни за счёт увеличенного усилия в зацеплении. Но это небольшая плата за совершенно новое качество автомобиля в управлении на любой скорости.