Технологии нового поколения: эволюция рулевых реек

Содержание:

• Классические рулевые рейки: устройство и принципы работы
• Инновационные технологии в современных рулевых рейках
• Рулевые рейки будущего: цифровизация и интеграция с беспилотными системами
• Выводы

Рулевую рейку стали использовать как элемент управления автомобилем с середины прошлого века, когда она пришла на смену большим и надежным механизмам с червячной передачей. Она стала популярной благодаря простоте конструкции и компактности, поэтому используется в несколько измененном виде и сейчас.

Но инженеры компаний-производителей продолжают работу над совершенствованием этого механизма. От него зависит безопасность езды, комфорт управления машиной, точность маневрирования. На смену популярным гидравлическим и электрогидравлическим устройствам приходят полностью электронные механизмы, в которых даже отсутствует прямая механическая связь между рулем и колесами. 

В статье рассмотрим, как происходила эволюция рулевых реек и куда направлены усилия для дальнейшего развития этого механизма.

Классические рулевые рейки: устройство и принципы работы

Появление гидравлических рулевых реек

Рулевые рейки с гидроусилителем руля (ГУР) начали появляться в 1950-е годы прошлого века. Усиление понадобилось в связи с увеличением габаритов транспортных средств, размеров покрышек. Нагрузка на колеса сильно увеличилась, из-за чего водитель уже не мог комфортно управлять машиной, особенно при маневрировании на парковке. 

Механическая часть рулевого механизма осталась прежней, но инженеры добавили систему гидроусиления. 

Она состоит из таких компонентов:

• Гидроцилиндр — он встроен в корпус и имеет две рабочие камеры. Поршень со штоком двигается вправо или влево в зависимости от того, в какую часть цилиндра нагнетают масло. 
• Гидронасос — необходим для создания нужного давления рабочей жидкости и ее подачи в гидроцилиндр. В классическом ГУР он вращается за счет ДВС, с которым соединен с помощью ремня и шкивов. 
• Распределитель — механизм на рулевой колонке, который работает при вращении руля и направляет поток масла в нужный полуцилиндр рулевой рейки.
• Расширительный бак — служит для хранения излишков рабочей жидкости и компенсации увеличения ее объема при нагреве. 

Насос в ГУР работает постоянно и поддерживает нужное давление гидроэмульсии. При вращении руля жидкость попадает в полуцилиндр и давит на поршень, который двигает шток в нужном направлении. Тот толкает колесо из-за чего водителю не нужно прикладывать больших усилий для управления машиной. 

Плюсы рулевых реек с ГУР:

• Можно вращать руль без усилий даже на стоящем транспортном средстве;
• Повышается безопасность управления тяжелыми автомобилями за счет увеличения точности маневров;
• Сохраняются плюсы механической рейки, так как часть усилий передается механическим путем.

Основной недостаток — более сложная конструкция. Из-за этого механизм стоит дороже и требует внимательного обслуживания. Кроме того, насос ГУР работает постоянно, поэтому двигатель частично теряет мощность, расходуется чуть больше топлива. 

Еще один минус в том, что ГУР также нельзя полностью интегрировать с электронными системами управления и бортовым компьютером машины. 

Электрические и электро-гидравлические рулевые рейки

В начале XXI века на автомобили стали массово устанавливать электрогидравлические рейки или ЭГУР. Этот механизм поворота похож на классический ГУР, но насос вращается не благодаря ДВС, а с помощью собственного электромотора. 

Гидравлическая передача усилия сохраняется, но давление масла создается только тогда, когда это необходимо при маневрировании. Двигатель автомобиля не теряет мощности. Кроме того, мотор легче интегрировать с бортовым компьютером.

Электрическая рулевая рейка — одна из наиболее новых конструкций. ЭУР и EPS отличается от классической «гидравлики» тем, что в ней полностью отсутствуют цилиндр, насос и циркулирующее масло. 

Особенности конструкции:

• Нужное усилие при повороте создает электромотор, который соединен с механической частью с помощью редуктора. Он встроен либо в рейку, либо в рулевую колонку. 
• Для управления работой электромотора используется электронный блок управления, который определяет направление и скорость вращения вала.
• Для получения нужных данных используются датчики крутящего момента, положения колес и скорости автомобиля. На их основе ЭБУ и управляет усилением. 

Преимущества ЭГУР и ЭУР по сравнению с гидравлической рейкой:

• Лучшая энергоэффективность и возможность снизить расход топлива при движении автомобиля;
• Большая надежность за счет отсутствия рабочей жидкости и риска ее утечки;
• Интеграция с электронными системами управления — ABS, ESP, автопарковка, возможность изменения режимов управления;
• Очень компактные размеры и легкое обслуживание по сравнению с гидравлическими системами. 
• Возможность установки на автомобили с автопилотом. 

Недостаток этих систем — высокая стоимость по сравнению с механическими и гидравлическими аналогами. Кроме того, электроника плохо переносит влагу и пыль, поэтому все компоненты нужно тщательно защищать от внешних воздействий. 

Еще один минус — уменьшение «обратной связи» от дороги, что может не понравиться некоторым водителям. Они, по их словам, хуже «чувствуют машину».

Инновационные технологии в современных рулевых рейках

Дальнейшее развитие электрических и электронных систем направлено на увеличение количества датчиков и ассистентов, которые контролируют движение машины. 

В рулевых рейках EPS используют датчики крутящего момента и угла поворота, которые могут фиксировать усилие и направление поворота колес. Руководит всем процессом электронный блок управления, который может также собирать информацию с других систем машины. 

В результате рейка полностью интегрируется с ADAS, что дает много возможностей:

• удержание в полосе;
• автоматическая парковка;
• подруливание для компенсации бокового ветра.

Как инновационные технологии могут повлиять на безопасность и комфорт управления машиной:

• Руление становится более точным, так как механизм подстраивается под текущий режим. Например, на парковке крутить руль легче, а при движении по трассе — тяжелее.
• Увеличивается безопасность езды, так как рулевое управление работает в комплексе с ESP и ABS, чтобы предотвратить заносы и повысить устойчивость при езде на большой скорости.
• Повышается комфорт руления, система компенсирует вибрации и самостоятельно подруливает, чтобы уменьшить утомляемость во время длительных рейсов. 

В современных технологиях уже внедряются различные электронные системы:

• Variable Gear Ratio Steering — электроника изменяет передаточное соотношение рулевого механизма, чтобы упростить парковку и управление. Например, во время парковки водителю нужно вращать руль меньше, а на трассе — больше, чтобы снизить чувствительность. Технология уже реализована в машинах Honda, BMW.
• Active Steering — система подруливания задних колес, синхронизированная с работой рулевой рейки, которая повышает маневренность транспортного средства. Установлена на топовых моделях BMW, Mercedes-Benz.
• Lane Keep Assist / Park Assist — автоматическое подруливание колесами, чтобы удержать полосу на трассе и запарковать машину без участия водителя. Эти системы реализованы во многих моделях Volkswagen, Toyota и других автомобилях.

В автомобилях моделей Infiniti Q50, Lexus RZ уже установлена система Steer-by-Wire. Это полностью электронный механизм поворота колес. Руль не соединен с рейкой механически. Команды передаются по кабелю, а обратную связь обеспечивают искусственно.

Рулевые рейки будущего: цифровизация и интеграция с беспилотными системами

В последних моделях автомобилей и концептах рулевая рейка полностью интегрируется с электроникой транспортного средства. В будущем производители полностью откажутся от механики в пользу Steer-by-Wire. Это даст возможность интегрировать ее с беспилотными системами. Машина будет маневрировать точно и плавно даже без участия водителя. 

Следующий этап развития — это подключение к управлению машиной роботов. ИИ будет самостоятельно анализировать обстановку на дороге и помогать водителю избегать столкновений, регулируя режимы работы руля. Например, настраивать чувствительность и жесткость. 

В будущем рулевую рейку объединят с другими электронными системами машины, в том числе тормозами, подвеской и другими, чтобы все они функционировали синхронно друг с другом. 

Все эти нововведения дадут много преимуществ:

• Отсутствие механических элементов повысит точность управления машиной. Водитель не будет страдать от люфтов рейки, сможет мгновенно корректировать траекторию движения машины. 
• Электронные ассистенты и автопилот смогут быстрее реагировать на критические ситуации на дорогах и избегать ДТП;
• Уменьшение механических и гидравлических компонентов сделает обслуживание машин более экономичным, а сами транспортные средства — экологичными. 
• Электроника позволит настраивать управление по своему желанию, например, делать его более «спортивным», адаптировать под городскую езду, включать полный автопилот. 

Но переход на электронику имеет и недостатки:

• Электронные системы стоят дороже, что увеличивает цену транспортного средства. Из-за этого такие системы сейчас устанавливают только на топовые модели авто. 
• Электроника может выйти из строя, что сделает автомобиль неуправляемым. По этой причине инженеры обязательно предусматривают резервные способы управления колесами. 
• Полный переход на электронику приведет к потере механической связи и «чувства дороги», что негативно воспринимается некоторыми водителями. Понадобится адаптация для привыкания к таким системам. 
• Существует также риск взлома автомобиля хакерами, чтобы получить полный доступ к управлению. Эту опасность нужно предусмотреть и внедрить надежные системы безопасности. 

Несмотря на эти минусы, преимуществ от электронных систем управления больше, особенно с точки зрения полностью автономной езды на автопилоте. Поэтому работа над ними продолжается. 

Выводы

Рулевая рейка из простого механического устройства уже превратилась в сложный узел, который состоит из электронных и электрических компонентов. Это естественный процесс, обусловленный увеличением размеров машин, скоростей и плотности движения. 

Электроника позволила усовершенствовать управление и сделать его более безопасным за счет интеграции с ADAS. Водителю проще маневрировать на месте, безопаснее ехать по дороге, руль адаптируется под разные стили и режимы движения. 

В будущем этот процесс продолжится вплоть до полной замены классической рулевой рейки на steer-by-wire, которое будет интегрировано с автопилотом.