Рулевое управление: технологии нового времени

Прежде всего необходимо обозначить основные сферы инноваций в области систем рулевого управления. Их десять.

Системы электроусилителя рулевого управления (EPS)

Переход от традиционных систем гидроусилителя рулевого управления (Hydraulic Power Steering – HPS) к системам с электроусилителем рулевого управления (Electric Power Steering – EPS) знаменует значительный технологический скачок. Системы EPS используют электродвигатели для содействия рулевому управлению, предлагая ряд преимуществ по сравнению со своими гидравлическими аналогами. Они характеризуются значительно меньшим потреблением энергии по сравнению с системами HPS и, таким образом, способствуют снижению выбросов CO2. Поскольку они управляются процессором, они также предлагают огромный потенциал для дополнительных функций. Они повышают безопасность, комфорт водителя и обеспечивают расширенные функции помощи водителю, например, электроусиление в зависимости от скорости или автоматизированную помощь при парковке.

Помимо этих преимуществ, необходимо было решить несколько проблем, чтобы получить приемлемую замену систем HPS. Особенно много усилий пришлось приложить, чтобы добиться достаточной чувствительности рулевого управления и функциональной безопасности. Оба аспекта можно считать решенными для существующих систем рулевого управления.

Передовые сенсорные технологии

Интеграция передовых сенсорных технологий революционизирует точность рулевого управления и управляемость. Датчики крутящего момента, угла наклона и положения играют ключевую роль в современных системах рулевого управления, облегчая точную регулировку рулевого управления и адаптивную помощь в зависимости от условий движения. Эти датчики не только улучшают динамику вождения, но и формируют основу для интеллектуальных систем помощи водителю, таких как система удержания полосы движения, адаптивный круиз-контроль и автоматическая парковка, тем самым повышая безопасность и удобство для водителей.

Технология электропривода

Технология проводного привода (Drive-by-Wire – DbW) представляет собой смену парадигмы в автомобильном рулевом управлении, устраняя механические связи в пользу электронных систем управления. Благодаря отделению рулевого колеса от колес системы DBW обеспечивают регулируемые настройки рулевого управления, адаптивные передаточные числа рулевого управления и плавную интеграцию с функциями автономного вождения. Эта технология предоставляет водителям большую гибкость и контроль над характеристиками рулевого управления, одновременно прокладывая путь для будущих инноваций в области автономной навигации и управления транспортными средствами.

Системы управления по проводам

Системы управления по проводам (Steer-by-Wire – SbW) представляют собой вершину достижений в области электронного рулевого управления, полностью заменяя традиционные компоненты рулевого управления электронными приводами. Системы SbW предлагают беспрецедентную универсальность в настройке ощущения рулевого управления, предоставляя водителям регулируемые настройки обратной связи и возможности адаптивного реагирования. 

Более того, эти системы повышают безопасность автомобиля за счет резервных механизмов рулевого управления, обеспечивая непрерывную работоспособность в случае выхода компонентов из строя. Технология SBW готова сыграть решающую роль в формировании будущего автономного вождения и человеко-машинных интерфейсов (Human-Machine Interfaces – HMI).

Внедрение SbW позволяет интегрировать системы индивидуального рулевого управления колесами, позволяющими регулировать угол поворота каждого из колес независимо и в максимальном соответствии с текущей дорожной ситуации. Из-за отсутствия механической связи между колесами, угол поворота рулевого колеса может достигать 90°, что обеспечивает очень высокую маневренность автомобиля. Кроме того, индивидуальный угол поворота колес способствует повышению безопасности вождения, а также полному использованию потенциала передней оси.

Для достижения таких больших углов поворота колес выбирается концепция подвески на двойных поперечных рычагах, которая модифицируется в соответствии с требованиями. Между верхними рычагами подвески и балками колес устанавливаются два рулевых актуатора. В качестве рулевого привода реализуют электрический 48-вольтовый двигатель, совмещенный с редуктором. Важным требованием к редуктору является высокая вращательная жесткость и максимально возможная свобода хода. Обычно это достигается за счет специальной передачи с высоким передаточным числом.

Инновационные материалы

Внедрение легких материалов, таких как композиты из углеродного волокна и высокопрочные сплавы, улучшает конструкцию автомобильных компонентов, включая системы рулевого управления. Легкие материалы способствуют общему снижению веса автомобиля, что приводит к повышению топливной экономичности и динамических характеристик. Кроме того, эти материалы обеспечивают исключительную прочность и структурную целостность, повышая долговечность и надежность компонентов рулевого управления при одновременном соблюдении строгих стандартов безопасности.

Интеграция с подключением и искусственным интеллектом

Конвергенция систем рулевого управления с возможностями подключения к автомобилю и искусственного интеллекта (ИИ) открывает новые возможности для расширения функциональности и оптимизации производительности. Встроенные датчики и алгоритмы искусственного интеллекта обеспечивают прогнозируемое техническое обслуживание, анализ данных в режиме реального времени для оптимальной работы рулевого управления и адаптивные режимы вождения с учетом индивидуальных предпочтений. Кроме того, функции подключения облегчают оперативное обновление и удаленную диагностику, обеспечивая постоянное совершенствование системы и оперативность реагирования.

Инновации в области безопасности

Безопасность остается первостепенной задачей в автомобильном дизайне, а инновации в рулевом управлении играют решающую роль в повышении безопасности транспортных средств. Передовые функции безопасности, такие как электронная система стабилизации (ESC), адаптивная система помощи при рулевом управлении и системы предотвращения столкновений, легко интегрируются в современные системы рулевого управления. Эти инновации снижают риски, повышают устойчивость автомобиля и помогают водителям ориентироваться в сложных дорожных ситуациях, в конечном итоге снижая вероятность аварий и повышая степень защиты пассажиров.

Автономное вождение

Появление технологий автономного вождения меняет автомобильный ландшафт, при этом системы рулевого управления играют ключевую роль в обеспечении автономной навигации и управления. Такие инновации, как управление по проводам, объединение датчиков для точного позиционирования и алгоритмы принятия решений на основе искусственного интеллекта, являются неотъемлемой частью разработки автономных транспортных средств. Эти достижения обещают будущее, в котором вождение без помощи рук станет не только возможным, но и более безопасным и эффективным, что произведет революцию в транспортных системах во всем мире.

Человеко-машинный интерфейс

Эволюция дизайна человеко-машинного интерфейса улучшает взаимодействие водителя с органами рулевого управления и системами автомобиля. Интуитивно понятные интерфейсы, включающие сенсорные экраны, тактильную обратную связь, голосовые команды и распознавание жестов, упрощают ввод данных водителем, уменьшая отвлекающие факторы и повышая общий комфорт вождения. Достижения HMI ставят во главу угла удобство использования, обеспечивая более безопасные и привлекательные условия вождения, одновременно предлагая бесшовную интеграцию с информационно-развлекательными системами и функциями подключения.

С 1894 года рулевое колесо представляет собой неизменный человеко-машинный интерфейс (HMI) для управления автотранспортным средством и сегодня является неотъемлемым элементом каждого серийного автомобиля. Хотя в краткосрочной и среднесрочной перспективе все останется по-прежнему, долгосрочный взгляд показывает, что для автоматизированных транспортных средств эта концепция HMI не столь актуальна. Когда в большинстве дорожных ситуаций водитель становится пассажиром, известное сегодня рулевое колесо может восприниматься как мешающее и занимающее пространство, которое можно было бы использовано.

Задумываясь об этом инженеры разработали несколько концепций, которые часто основаны на элементах управления, расположенных не перед, а по бокам водителя – с одной или другой стороны или сразу с обоих. Поэтому часто их называют «сайдстиками».

Экологическая устойчивость

В ответ на растущие экологические проблемы производители автомобилей уделяют приоритетное внимание устойчивому развитию рулевого управления и автомобильных компонентов. Это включает использование экологически чистых материалов, компонентов, пригодных для вторичной переработки, и энергоэффективных производственных процессов. Инициативы в области устойчивого развития выходят за рамки дизайна продукта и охватывают аспекты жизненного цикла, способствуя ответственному потреблению и минимизируя воздействие на окружающую среду на протяжении всего срока службы автомобиля.

Руление задними колесами

Переходя к конкретным примерам внедренных или внедряемых инноваций первым делом познакомим с, наконец, поступившей в серию в самом конце прошлого года новой мехатронной  системой рулевого управления – не просто подруливания, а полноценного руления – задними колесами от Schaeffler. Ею будет оснащаться новый электрический кроссовер одного маститого автопроизводителя. Благодаря дополнительным функциям рулевого управления на задней оси новая технология Schaeffler улучшает управляемость в условиях городского движения, повышает устойчивость при смене полосы движения и облегчает парковку автомобиля. 

Ключом к новой системе управления задними колесами Schaeffler является планетарная роликовая передача – первая в мире система, созданная прецизионным машиностроением, основанном на собственных промышленных технологиях компании. В результате получилась очень компактная система, легкая, бесшумная в эксплуатации и оптимизированная для удобства интеграции в автомобиль. Эта инновационная система рулевого управления была хорошо принята рынком: появился первый покупатель, и ряд других автопроизводителей также намерены использовать ее в своих автомобилях. Фактически, новые модели автомобилей с системой рулевого управления от Schaeffler должны поступить в производство в 2024 году.

Система руления задними колесами Schaeffler состоит из двух узлов. Первый – и основная – это механическая система с планетарным роликовым редуктором промышленного подразделения компании, которая была специально адаптирована для применения в автомобилестроении. Второй – силовой модуль, включающий электронику, электродвигатель и программное обеспечение. Schaeffler разрабатывает общую систему и заботится о ее интеграции в автомобили заказчика.

Планетарный роликовый редуктор отличает систему Schaeffler от систем рулевого управления на задние колеса других производителей, которые традиционно используют трапециевидные винтовые приводы. Следовательно, продукция Schaeffler не только соответствует строгим стандартам безопасности уровня D для автомобильной техники (ASIL D), но и обеспечивает значительное повышение эффективности, снижение трения и сокращение времени реакции системы. 

Это позволяет системе обеспечивать точное и экономичное движение автомобиля, что особенно выгодно для водителей электромобилей, поскольку компенсирует недостатки удлиненной колесной базы, обусловленные обычным для таких автомобилей расположением аккумулятора под полом. Более длинная колесная база означает больший радиус поворота и, следовательно, меньшую маневренность. 

Система руления задними колесами Schaeffler решает эту проблему несколькими способами. Во-первых, при смене автомобилем полосы движения на более высоких скоростях, система для повышения устойчивости, управляемости и безопасности поворачивает задние колеса в том же направлении, что и передние. Во-вторых, входя в поворот система повышает маневренность автомобиля за счет поворота задних колес в направлении, противоположном направлению поворота передних колес. Это позволяет практически уменьшить колесную базу, давая водителю возможность легко проходить повороты. Аналогичным образом система также уменьшает радиус поворота автомобиля, значительно облегчая маневрирование, парковку и развороты в стесненных городских условиях. И, наконец, технология улучшает возможности активного вмешательства автоматизированных систем помощи при перестроении.

Многофункциональность

Новая сенсорная технология, разрабатываемая немецкой компанией Hoffman-Kippner в сотрудничестве с Guttersberg Consulting, позволит автопроизводителям создавать рулевые колеса, способные контролировать своих водителей. Они дадут возможность автомобилям вызывать помощь или даже выезжать в безопасное место или в больницу во время чрезвычайной ситуации.

В основе новой сенсорной технологии, являющейся результатом более чем семилетних разработок, лежат запатентованные методы, обеспечивающие трафаретную печать резистивного датчика толщиной 0,8-0,9 мм, способного измерять давление, чувствительность и положение в пространстве. Сердцем датчика является – SensoInk – чернила, чувствительные к давлению: чем большее давление человек оказывает, тем выше сопротивление. Датчик состоит из этих чернил, расположенных между тонкими слоями пластика. Давление, прикладываемое к датчику (при захвате рулевого колеса), создает считываемый сигнал в виде короткого замыкания между слоями.

По сути, датчик сообщает вашему рулевому колесу, когда вы за него держитесь и насколько сильно вы его сжимаете. Во время движения мы постоянно сжимаем и перемещаем руки по рулевому колесу. Когда движение такого типа прекращается, это обычно означает, что что-то произошло – водитель либо заснул, либо у него какое-то заболевание. Отслеживая это, датчик может активировать протокол безопасности в автомобиле. В незначительных случаях это может быть простой сигнал тревоги для пробуждения водителя, в более серьезных случаях это может быть звонок в службу спасения. Используя эту технологию, автомобиль достаточной степени автоматизации может даже когда-нибудь доставить больного или травмированного водителя в ближайшую больницу.

Система также способна компенсировать действия разных водителей. Очевидно, что у одних из нас руки меньше у других больше, у нас разная сила захвата и предпочтения – есть люди, которые любят управлять автомобилем одной рукой и т. д. Система может узнавать ваш уникальный стиль вождения и на этом основывать свои предупреждения о срабатывании и даже сохранять профили разных водителей – у программного обеспечения есть способ распознавать и создавать историю для конкретного водителя. Систему также можно запрограммировать на учет других факторов, таких как скорость автомобиля, чтобы не возникало ложных срабатываний, если водитель на мгновение отпустит руль или уберет руки с руля на светофоре.

Использование резистивного датчика имеет ряд преимуществ по сравнению с емкостным датчиком (такого типа, который обычно используется в сенсорных экранах). Емкостные датчики не очень гибкие и их нельзя расположить по всему колесу. Кроме того, они недостаточно чувствительны, чтобы их можно было встроить в рулевое колесо, и при этом обнаруживать сигналы. 

В заключение отметим, что продолжающаяся волна инноваций в области рулевого управления и связанных с ним автомобильных компонентов меняет траекторию развития автомобильной промышленности, способствуя повышению производительности, безопасности и экологической ответственности. От систем рулевого управления с электрическим усилителем до технологий автономного вождения и практик устойчивого проектирования современная эра автомобилестроения определяется неустанным стремлением к совершенству и инновациям. Поскольку эти технологии продолжают развиваться, водители могут рассчитывать на улучшение опыта вождения, характеризующееся непревзойденным удобством, безопасностью и защитой природы.