S217A Активное рулевое управление (AFS): Теория и ремонт
Управляемость — одно из качеств, благодаря которым BMW покорило не одно сердце. Именно об этом и пойдет речь в данной записи.
Управляемость у BMW действительно хороша. И чтобы сделать ее еще лучше, BMW начало применять в своих автомобилях активное рулевое управление (AFS — Active Front Steering). Что же оно из себя представляет? Как оно работает? Какой эффект? Ответы на эти и другие вопросы представлены ниже.
Активное рулевое управление изменяет передаточное отношение рулевого механизма в зависимости от скорости. Тем самым обеспечивается более острое управление с малыми углами поворота рулевого колеса при низких скоростях и менее острое управление на больших скоростях с регулировкой скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси. Сложновато для восприятия, но обо всем по-порядку.
Преимущества активного рулевого управление:
— более высокая маневренность;
— более высокая степень комфорта;
— большая безопасность.
Более высокая маневренность
При средних скоростях (около 100 км/ч) автомобиль благодаря большему передаточному отношению рулевого управления воспринимается еще более маневренным и управляемым. Водитель при маневрах намного лучше контролирует автомобиль в сочетании с заметно увеличившейся точностью рулевого управления и снижением усилий при управлении.
Более высокая степень комфорта
Для полного поворота колес из крайнего левого положения в крайнее правое сегодняшние модели BMW еще требуют более трех полных оборотов рулевого колеса. Активное рулевое управление уменьшает количество полных оборотов руля при низкой скорости движения до 2 и меньше. Преимущество: меньше усилий при вращении рулевого колеса для поворотов в городском потоке транспорта или при маневрировании в узких местах на стоянке. Кроме того, при движении с большим количеством поворотов, на извилистых дорогах, благодаря небольшому углу поворота рулевого колеса руки всегда остаются на рулевом колесе в оптимальном положении. Перехватывание или даже перекрещивание рук становится излишним. Многофункциональные клавиши на рулевом колесе в любой ситуации остаются оптимально досягаемыми.
Сравнение количества оборотов обычного рулевого управления и активного на BMW e60
При обычном рулевом управлении для поворота рулевого колеса из одного крайнего положения в другое необходимо сделать около 3,2 оборота, при активном — около 1,8 оборота. Почти в 2 раза, разница ощутимая.
Большая безопасность
Иная ситуация при высокой скорости: опосредованное передаточное отношение при высоких скоростях обеспечивает повышение устойчивости автомобиля при прямолинейном движении (например, на автомагистралях) по сравнению с обычным рулевым управлением. В то же время регулировка скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси позволяет добиться устойчивости автомобиля при его избыточной поворачиваемости. Если автомобиль, например, при прохождении поворотов демонстрирует избыточную поворачиваемость, то регулировка скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси может откорректировать угол поворота передних колес. Таким образом, активное рулевое управление в подобной дорожной ситуации поддерживает систему динамического контроля стабильности (DSC). Только если стабилизации за счет рулевого управления недостаточно, тогда вмешивается DSC.
Все вышесказанное хорошо представлено на следующем видеоролике
Активное рулевое управление начало устанавливаться на автомобили BMW 5-ой серии с модели е60. На ролике представлена е39, так как испытания данного управления проводились именно на этой модели.
Активное рулевое управление BMW, как и прежде, имеет рулевую колонку с постоянным соединением рулевого колеса и передних колес. Механическое соединение гарантирует постоянную работоспособность рулевого управления, даже в случае неисправности системы или ее полного выходя из строя. В то же время механическое соединение позволяет добиться настоящего «чувства руля», возникающего у водителя. По сравнению с этим системы с управлением только по проводам в принципе не могут создать настолько реалистичную обратную связь с водителем.
Устройство активной рулевой рейки
В разрез рулевого вала встроен планетарный механизм. Если электродвигатель не работает, то сателлиты соединяют вал и шестерню рулевого механизма напрямую. Если электродвигатель вращается, он через червяк поворачивает эпициклическую шестерню и в зависимости от направления работы или увеличивает, или уменьшает угловую скорость выходного вала. При отказе системы электромагнит аварийного фиксатора запирает червяк, блокируя механизм изменения передаточного отношения.
Все бы хорошо, но данное управление имеет и свои минусы. Один из них это стоимость как самой рейки, так и соответственно ее ремонта. Ввиду своего особого расположения в автомобиле, рулевые рейки в BMW имеют ограниченный срок эксплуатации. К пробегу 280 000 км моя рейка также не выделилась особой надежностью.
Еще при покупке автомобиля мною был обнаружен люфт руля. После полугодовой эксплуатации появился еще и стук. Необходимо было предпринимать какие-либо меры. Вариантов было 4:
— покупка новой рейки;
— покупка б/у рейки;
— ремонт своей рейки;
— переход на обычную рейку.
Много людей советовало поменять рейку на обычную, но мне этот путь не сильно нравился. Для начало надеялся отделаться малой кровью и узнать про ремонт своей рейки. Нашел в клубе людей, которые вроде неплохо ремонтируют рейки. Позиционируют они себя как профессионалы 80-го уровня. Обратился, по моим описаниям проблемы назвали сумму ремонта от 400$ за базовый ремонт рейки (замена ремкомплекта, замер зацепления в червячной паре, проверка рабочих параметров и компонентов системы активного рулевого управления, съем/установка рулевой рейки, комплектующие для ремонта (базовый оригинальный ремкомплект рулевой рейки: сальники, втулки, поршневые кольца, гидробарьерные кольца, маслостойкие резиновые уплотнения, пыльники рулевой рейки 2шт + оригинальные хомуты, оригинальное масло в систему), все необходимые токарные работы по валам, очистка деталей, сборка/разборка агрегата, проверка геометрии валов на стенде, регулировка червячного зацепления рулевой рейки на специализированном оборудовании, адаптация/настройка на специализированном оборудовании, процедура развал/схождения на лазерном стенде) до 1000$ в зависимости от наличия каких-либо серьезных неисправностей рулевого агрегата.
Считая, что ребята знают свою работу и не видя особых проблем по рейке (не считая мелкого люфта по рулю и стука самой рейки) решил, что обойдусь базовым ремонтом. Загнал к ним автомобиль. За полчаса оформления документов другой мастер успел добраться до вала рейки и продемонстрировать мне значительный его износ. Вал болтался туда-сюда как собачье ухо.
Вердикт один — вал под замену. Предложили 2 варианта: замена на б/у вал (ремонт встанет в 700$) и на новый от ZF (1000$). В случае замены на б/у вал и не достижения заводских допусков гарантию они бы не дали. Выбрал второй вариант.
Через 3 дня мой автомобиль был готов. По моей просьбе сделали несколько фотографий основных этапов ремонта
По итогу работы была выдана куча документов
UPD
После ремонта рейки прошло более года — замечаний нет.
Цена вопроса:
• Ремонт рейки под ключ — 1000$
Итого: 1000$
Система активного рулевого управления AFS
AFS (Active Front Steering) – это система активного рулевого управления, которая по своей сути является усовершенствованной классической системой рулевого управления. Основное назначение AFS – верное распределение усилия между всеми составляющими рулевой системы, а главная цель – повысить эффективность управления автомобилем на различных скоростях. Водитель же, при наличии в автомобиле активного рулевого управления, получает повышенный комфорт и уверенность в движении. Рассмотрим принцип работы, устройство AFS, а также его отличия от классической системы рулевого управления.
Принцип работы
Активное рулевое управление включается в работу вместе с запуском двигателя. Режимы работы системы AFS зависят от текущей скорости автомобиля, угла поворота рулевого колеса и типа дорожного покрытия. Таким образом, системе удается оптимально изменять передаточное отношение (усилие от рулевого колеса) в рулевом механизме в зависимости от режима движения автомобиля.
При начале движения автомобиля включается электродвигатель. Он начинает работать после сигнала от датчика угла поворота руля. Электромотор посредством червячной пары начинает вращать внешнюю шестерню планетарного редуктора. Основная функция внешнего зубчатого колеса – изменение передаточного отношения. При максимальной скорости вращения шестерни оно достигает наименьшего значения (1:10). Все это способствует снижению количества оборотов руля и повышению комфорта при маневрировании на низкой скорости.
Увеличение скорости автомобиля сопровождается замедлением скорости вращения электромотора. Из-за этого постепенно (пропорционально увеличению скорости движения) растет передаточное отношение. Электромотор прекращает вращаться на скорости 180-200 км/ч, при этом усилие от рулевого колеса начинает передаваться непосредственно на рулевой механизм, а передаточное отношение становится равным значению 1:18.
Если скорость автомобиля продолжает увеличиваться, электродвигатель снова запускается, однако в этом случае он начинает вращаться в другом направлении. Значение передаточного отношения при этом может достигнуть 1:20. Рулевое колесо становится наименее острым, его обороты до крайних положений увеличиваются, что обеспечивает безопасное совершение маневров на большой скорости.
Система AFS также способствует стабилизации движения автомобиля при потере сцепления задней оси с дорожным покрытием, а также при торможении на скользких участках дороги. Курсовая устойчивость машины сохраняется с помощью системы динамической стабилизации (DSC – Dynamic Stability Control). Именно после сигналов от ее датчиков AFS корректирует угол поворота передних колес.
Еще одна особенность активного рулевого управления – это невозможность его отключения. Данная система функционирует постоянно.
Устройство и основные составляющие
Основные составляющие AFS:
- Рулевая рейка с планетарным редуктором и электромотором. Планетарный механизм изменяет скорость вращения рулевого вала. Данный механизм состоит из коронной (эпициклической) и солнечной шестерен, а также блока сателлитов и водила. Планетарный редуктор размещается на рулевом валу. Электродвигатель вращает коронную шестерню через червячную передачу. При вращении этого зубчатого колеса меняется передаточное отношение механизма.
- Входные датчики. Необходимы для измерения различных параметров. При работе AFS используются: датчик угла поворота рулевого колеса, датчики положения электродвигателя, датчики системы динамической стабилизации, датчики суммарного угла поворота. Последний датчик может отсутствовать, а угол рассчитывается на основании сигналов с остальных датчиков.
- Электронный блок управления (ЭБУ). В него приходят сигналы со всех сенсоров. Блок обрабатывает сигнал, а после отправляет команды на исполнительные устройства. ЭБУ также активно взаимодействует со следующими системами: электрогидравлический усилитель руля Servotronic, система управления двигателем, DSC, система доступа в автомобиль.
- Рулевые тяги и наконечники.
- Рулевое колесо.
Преимущества и недостатки
Система AFS обладает неоспоримыми преимуществами для водителя: она повышает безопасность и комфорт во время движения автомобиля. AFS – электронная система, являющаяся более предпочтительной, нежели гидравлика, благодаря следующим своим преимуществам:
- точная передача действий водителя;
- повышенная надежность из-за меньшего количества деталей;
- высокое быстродействие;
- малый вес.
Существенных недостатков у AFS не выявлено (не считая его стоимости). Активное рулевое управление редко дает сбои. Если все же удалось повредить электронную начинку, то самостоятельно настроить систему не получится – необходимо везти автомобиль с AFS в сервис.
Применение
Active Front Steering является фирменной разработкой немецкого автоконцерна BMW. На текущий момент AFS устанавливается в качестве опции на большинство машин данной марки. Впервые активное рулевое управление было установлено на автомобили BMW в 2003 году.
Выбирая машину с активным рулевым управлением, автолюбитель получает комфорт и безопасность при езде, а также легкость управления. Повышенная надежность системы Active Front Steering гарантирует продолжительную эксплуатацию без поломок. AFS – это опция, которой не стоит пренебрегать при покупке нового автомобиля.
Система активного рулевого управления
С каждым годом современные автомобили становятся все “умнее”, помогая водителю в управлении, обеспечивая безопасность и комфорт. «Автоматы», электронные дроссельные заслонки, системы стабилизации, электрогидравлические тормоза… Но рулить-то надо самому! Это святое. Однако не обошли стороной эти тенденции и рулевое управление.
AFS (Active Front Steering), разработанная инженерами BMW, проста, как все гениальное (партнерами выступили Bosh и ZF). Главная часть AFS — планетарная передача, корпус которой может вращаться с помощью электромотора. Она встроена в разрезанный рулевой вал и управляется командами компьютера.
Что это дает? Не будем торопиться. Сначала вкратце очертим границы проблемы. Она касается управляемости, которая в данном случае зависит от передаточного числа рулевого механизма. Чем оно меньше, тем быстрее машина реагирует на поворот руля. Весьма удобно, особенно при парковке: не требуется бесчисленное количество раз крутить баранку от края до края.
Однако на большой скорости достоинства оборачиваются недостатками. Малейшее движение руками — и машина уже метнулась в сторону очень твердого на вид отбойника у обочины шоссе. Вот и ищут автопроизводители компромисс между управляемостью, безопасностью и комфортабельностью, «усредняя» эти характеристики. Система AFS позволяет изменять передаточное отношение рулевого привода в очень широких пределах.
Чувствительностью управляет компьютер, а в него можно заложить любую программу. А это значит, что с помощью системы AFS можно избавиться от извечного противоречия: или «острый» руль на малой скорости и слишком нервные реакции на высокой, или спокойное поведение на большом ходу, но «тупой» руль при парковке.
На серийной «пятерке» BMW передаточное отношение рулевого механизма составляет 1:18, и это компромиссный вариант. Благодаря помощи электромотора системы AFS эта цифра в низкоскоростных режимах снижается до 1:10 — это менее двух оборотов руля от упора до упора. Парковаться с таким «быстрым» рулем очень удобно! А чтобы с ростом скорости автомобиль не становился «нервным» в управлении, электроника по мере разгона постепенно снижает активность электродвигателя. На 180—200 км/ч он вообще отключается — передаточное отношение возвращается к стандартному.
А на максимальных скоростях электромотор вновь вступает в действие, но начинает вращаться в противоположную сторону. Ведь система AFS способна не только увеличивать чувствительность рулевого управления, но и уменьшать ее, повышая передаточное отношение до 1:20 и более!
В разрез рулевого вала встроен планетарный механизм. Если электродвигатель не работает, то сателлиты соединяют вал и шестерню рулевого механизма напрямую. Если электродвигатель вращается, он через червяк поворачивает эпициклическую шестерню и в зависимости от направления работы или увеличивает, или уменьшает угловую скорость выходного вала. При отказе системы электромагнит аварийного фиксатора запирает червяк, блокируя механизм изменения передаточного отношения.
Компоненты системы рулевого управления Active Steering: гидроусилитель руля (3) с планетарным механизмом и электромотором, электронный блок управления (1) и датчик определения отклонения от заданного направления движения (2)
Суть работы системы Active Steering в следующем: с увеличением скорости угол поворота управляемых колес уменьшается при неизменном угле поворота рулевого колеса. При снижении же скорости (особенно сильно это проявляется в режиме парковки) управляемые колеса стремятся отклониться, наоборот, на больший угол. Заметьте, на рисунках угол поворота руля одинаков.
Active Steering от BMW сохраняет механическую рулевую колонку, постоянно соединяющую руль с передними колесами автомобиля. Это не только гарантирует полное сохранение всех функций рулевого управления в случае, если одна из вспомогательных систем перестанет работать в заданном режиме или даже полностью выйдет из строя, но обеспечивает подлинное “чувство руля”, которое столь важно для настоящего водителя.
Но прежней неограниченной свободы водителю, тем не менее, уже не видать — планетарный механизм с электромотором все-таки может доворачивать управляемые колеса на 7—8 градусов по команде бортовой электроники. То есть автомобиль может подруливать самостоятельно! Таким образом, система Active Steering сочетает в себе преимущества чисто электронной системы “управления по проводам”, в которой вообще не предусмотрено механическое соединение между рулем и передними колесами, и настоящее “чувство руля”, которое на данный момент можно обеспечить лишь с механической системой рулевого управления.
Управление по проводам
И все-таки будущее, видимо, не за хитрой механикой или гидравликой, усложненными электроникой. Конструкторам автомобилей не дает покоя привычка, которую больше века назад ввел в обиход Вильгельм Майбах, конструктор знаменитого «первого настоящего» автомобиля Mercedes Simplex, — рулить круглым рулем, а газовать и тормозить двумя напольными педалями.
Гранды автомобилестроения вовсю работают над системами без механической связи между рулем и колесами – так называемым управлением по проводам (steering by wire). Преимущества электроники перед гидравликой очевидны: она не только точнее передает движения рук пилота, но и меньше весит, надежнее (содержит меньше деталей), а также легче дублируется, поскольку проложить второй-третий кабель проще, чем гидравлические шланги.
Вращение руля отслеживает специальный датчик. Электронный блок, получая информацию о скорости, боковых и вертикальных ускорениях, посылает сигнал на актуаторы – электромоторы, поворачивающие колеса. В критической ситуации автомобиль сможет самостоятельно (причем быстрее человека!) повернуть колеса на нужный угол. Допустим, системе стабилизации не удалось предотвратить занос, и машина, как волчок, закрутилась на обледеневшем шоссе. Быстродействующая электроника, опросив датчики, повернет руль, куда и на сколько нужно, и притормозит одно или пару колес. Самостоятельность автомобиля намного упростит жизнь водителю: например, компьютер ловко припаркуется.
А когда машины научат хорошо “видеть”, они смогут даже объезжать препятствия. Такие системы выгодны и технологически: протянуть провода куда проще, чем вал с шарнирами. Рулевая трапеция получает отставку – разные углы поворота колес задают сами электромоторы. Кстати, и с точки зрения пассивной безопасности такая конструкция лучше.
Концептов без традиционного управления уже немало. Пришедшая из авиации технология by-wire уже довольно часто применяется в автомобилях , главным образом – в «электронной» педали газа.
BMW AG пошла дальше: в Z22 эта технология «внедрена» в рулевое управление и тормозную систему. Рулевое колесо – на привычном месте, но колонка ликвидирована. Баранка «насажена» на ось электромотора постоянного тока, который обеспечивает возвратное действие на руле. Датчики следят за углом поворота баранки, по их сигналам, обработанным электронным блоком, два электромотора перемещают рейку рулевого механизма. В зависимости от угла поворота колес и от того, как они контактируют с дорогой, определяется необходимая водителю степень обратной связи. Плюсы очевидны – от дополнительной свободы в размещении педального узла (в связи с исчезновением колонки) до легкой реализации переменных характеристик рулевого управления.
Компания Siemens представила систему Connected Truck для седельных тягачей. В ней управление агрегатами грузовика сделано электронным, а руль больше не имеет прямой связи с колесами, превратившись в подобие манипулятора для компьютерных игр. По мнению Siemens, ее система в десять раз сокращает количество соединений между шасси и кабиной, экономя место, материалы и время для ремонта или замены неисправных узлов.
Чем же мы будем рулить в будущем? Компьютерным «джойстиком», как у концепт-кара Mercedes F200 образца 1996 года? Штурвалом с мотоциклетными вращающимися гашетками «газа» и тормозными эспандерными рукоятками, как на концепт-каре GM Hy-Wire 2004 года?
Citroen предлагает еще один вариант: электронное рулевое управление.
Колеса поворачивает мощный электромеханический усилитель, встроенный в рулевую «рейку», — подобный тому, что имеют Mazda RX-8 или Lexus RH400h. Но ни малейшего подобия рулевой колонки здесь нет — сигнал подается по проводам. Сам руль — это штурвал, как для компьютерных игр. И как работает все это хозяйство? Штурвал можно повернуть всего на 60° — это меньше, чем в Формуле-1.
Отклоняешь рогатую конструкцию — под капотом немедленно раздается энергичное жужжание мощной «рулевой машинки», и большой Citroen шарахается в сторону, как испуганная лошадь! С непривычки управлять таким автомобилем довольно сложно! При каждом повороте или торможении кузов кренится и клюет носом. Угадать, на какой угол повернет автомобиль в каждый конкретный момент, непросто — ведь чем медленнее едет экспериментальный Citroen, тем «острее» становится штурвал. Хорошо хоть, что усилие на нем присутствует, и немалое — его обеспечивает специальный генератор обратной связи.
Производители автомобилей давным-давно поняли, что техническим достижениям радуется лишь небольшая часть покупателей, а остальных приходится уговаривать и убеждать. Во многом прогресс в области автостроения сдерживается именно консерватизмом автомобилистов. Наверняка, тем, кто просидел за баранкой десятки лет, придется привыкать к новому управлению. А молодые скорее всего без труда освоят джойстик. Ведь у многих из них большой опыт вождения компьютерных машинок.
Рулим пальчиками или почему так легко жить с гидроусилителем?
И тема сегодняшней статьи: устройство рулевого управления с гидроусилителем.
Уважаемые коллеги-автолюбители, вряд ли вы будете спорить с тем, что приятно, когда руль машины поворачивается легко, практически одним пальцем.
Что же позволяет превратить тяжело управляемого монстра в послушную ласточку? Есть такое приспособление – гидроусилитель руля!
При управлении автомобиля с гидроусилителем руля возникает чувство полного контроля над авто, а поездка приносит одно удовольствие.
Но так было не всегда. Если среди вас имеются владельцы «классики» от ВАЗ, то они, наверняка, знают, каково это – настоящая физическая работа за рулём.
Давайте разберёмся, что это за зверь, этот гидроусилитель, и с чем его едят.
ГУР: от грузовой техники до легковушек
Гидравлический усилитель рулевого управления (ГУР) – это узел, спрятанный в недрах наших автомобилей, который создаёт дополнительные усилия для поворота колёс, тем самым помогая нам рулить без напряжения мускул.
Несмотря на то, что использование этих устройств на легковых машинах началось примерно с конца 50-х годов прошлого столетия, они ещё долгие десятилетия считались чем-то экзотическим.
Тем не менее, история ГУР уходит корнями даже не в 50-е, всё началось гораздо раньше. Так, первый патент на устройство, напоминающее нынешний гидроусилитель руля был получен аж в 1902 году.
Последующие годы, ознаменованные бурным развитием автопрома, определили нишу, где гидроусилитель чувствовали себя лучше всего и считались наиболее полезными – это грузовая техника.
Устройство рулевого управления с гидроусилителем
Как же устроен классический ГУР? Основными элементами любого гидроусилителя являются следующие:
• бачок для рабочей жидкости (как правило, специального масла);
• насос;
• набор соединительных шлангов;
• распределитель;
• гидроцилиндр.
баранкой и открывает при определённом положении доступ для рабочей жидкости в ту или иную полость гидроцилиндра. Масло, попавшее в него, давит на поршень, связанный с системой тяг рулевого механизма, и происходит поворот колёс.
И гидроусилитель требует внимания
В завершении несколько слов об уходе за гидроусилителями автомобиля. Как и любой другой механизм, он требует к себе определённого внимания. На самом деле, правил немного, и соблюдая их, Вы однозначно продлите жизнь Вашего авто. Вот основные:
• контроль и замена масла в бачке ГУР (не реже одного раза в два года);
• регулярная замена фильтра в бачке;
• если обнаружили протечку в гидроусилителе – сразу же в сервис;
• регулярная проверка натяжения ремня привода насоса ГУР.
На этом, друзья, мы будем заканчивать наш рассказ о гидравлическом усилителе рулевого управления машин.
Подписывайтесь на блог, и вы гарантированно не пропустите свежие и интересные публикации, посвящённые устройству автотехники.