Полноуправляемое шасси: с чего начиналась технология и к чему в итоге пришла

О полноуправляемых шасси для легковых автомобилей, то есть тех, где поворачиваются все четыре колеса, уже успели подзабыть. Недолгий расцвет технологии в начале 1990-х годов быстро сошел на нет с развитием многорычажных подвесок. Но в последние годы у производителей снова наблюдается рост интереса к этой любопытной конструкции. С чем это связано и каковы перспективы этой технологии сейчас?

На самом деле функция поворота всех колес, попавшая в автопром из сельскохозяйственной и грузовой индустрии, на легковых автомобилях серийно появилась еще в 1987 году на одной из моделей Honda.

Надо сказать, что чего-то принципиально сложного и нового в технологии, которая была придумана еще на заре XX века, не было. На тракторах, грузовиках и внедорожниках конструкция использовалась исключительно для повышения маневренности, уменьшения радиуса поворота и проходимости (в повороте у таких авто задние колеса движутся по колее передних, что снижает сопротивление).

Однако Honda нашла этой технологии новое и весьма неожиданное применение. Чтобы разобраться, как это работает, нужно немного углубиться в теорию и понять, как машина поворачивает.

Как это работает в теории?

При повороте передних колес вся геометрия шасси меняется. Даже при повороте на месте из-за наличия угла кастера и плеча обкатки сдвигается центр масс автомобиля, изменяется угол продольного и поперечного крена. Меняется и положение задних колес относительно оси движения, даже неразрезная балка немного изменит углы установки. В динамике все будет еще сложнее: добавится крен от воздействия центробежных сил на центр масс машины, уводы резины и тому подобные факторы.

Мгновенный центр поворота, радиусы поворота передней и задней оси соотносятся заметно сложнее, чем в известном правиле Аккермана. Но именно по этой условной схеме проще всего понять, как будет поворачивать машина.

На идеально упрощенном шасси у всех колес есть единый центр поворота. У неповоротных колес задней оси радиусы поворота накладываются друг на друга и перпендикулярны траектории своего движения. Но при этом в каждый момент времени задние колеса относительно траектории центра масс и геометрического центра автомобиля движутся «наружу» поворота.

И чем короче колесная база, тем больше угол между осью поворота задних колес и центром масс и геометрическим центр машины. И, напротив, чем больше база, тем этот угол меньше. Чем короче база, тем больше уводы задних колес.

Если сделать задние колеса поворачивающимися, то можно достичь нескольких целей. Во-первых, при повороте колес в противоположную по отношению к передним сторону сильно сокращается радиус разворота, а равно и углы увода резины каждого из колес, что важно, например, при движении по слабым грунтам и для сокращения износа покрышек.

Во-вторых, имеет смысл и поворот задних колес в ту же сторону, что и передние. При небольшом угле отклонения с точки зрения геометрии шасси и углов уводов задних колес машина становится «длиннее», а при той же величине перемещения по перпендикуляру относительно траектории сильно возрастает радиус поворота, а значит, уменьшаются центробежные нагрузки и перераспределение массы машины. А это значит, что подвески работают в лучших условиях.

Получается, на малой скорости выгодно отклонять задние колеса в противоположную сторону относительно поворота передних — это улучшает маневренность, а на большой скорости надо поворачивать в ту же сторону — это улучшает устойчивость, управляемость и способность шасси воспринимать боковые нагрузки. Даже несколько градусов отклонения эквивалентны увеличению радиуса поворота на значимую величину. При этом чем компактнее машина, тем более выражен эффект.

Как осуществилось технически?

Идея японцев в конце 1980-х годов была проста: ставим на заднюю ось рейку, от рейки передних колес прокладываем вал, и при малых углах отклонения колеса задней оси поворачиваются в ту же сторону, что и передние, а при больших углах поворотов, соответствующих малой скорости движения, — в противоположную. Очень скоро несовершенство такого примитивного алгоритма стало очевидным, и к 1991 году схему заменили на электронное управление.

Впрочем, с той же рейкой и механико-гидравлическим приводом. Напомню, об электроусилителях высокого качества на массовых авто речи еще не шло, а первая многорычажная подвеска на Mercedes W201 как раз завоевывала мир и уже получила признание — именно с таким типом подвесок разрабатывали флагманские модели «большой немецкой тройки».

Управляемость тогда как раз успела стать трендом. Автожурналисты хвалили машины, которые хорошо рулились и стояли на траектории, но при этом не обладали «железобетонной» подвеской.

Потребители тоже оценили возможности шасси с новым уровнем настройки. Неразрезные мосты и диагональные рычаги в первую очередь стремились заменить у заднеприводных машин. Для переднеприводников неплохие возможности открывались при использовании более простой полузависимой подвески, но чуть упрощенные «многорычажки» для них тоже готовили. К середине 1990-х годов требования к шасси даже для простых легковых автомобилей выросли настолько, что в сравнении с ними спортивные авто 1980-х смотрелись тележками для движения по прямой.

Разумеется, полноуправляемые шасси в том виде, в котором они были разработаны в Японии (интерес проявляли Honda, Infinity, Mitsubishi и Nissan), не могли стать массовыми.

Для европейских производителей актуальность этого технического решения была весьма умеренной. Так, для BMW 850 была создана система Active Rear Axle Kinematics (ARAX), однако волна интереса к сложным конструкциям быстро сошла на нет. В 1994 году произошло другое знаковое событие — компания Bosch предложила первую систему стабилизации ESP. В сочетании с многорычажными подвесками она позволяла достичь лучшей эффективности при заметно меньшей стоимости.

Заинтересовало полноуправляемое шасси и американцев, которые в начале 2000-х попробовали оборудовать этой системой любимые в США большие пикапы для улучшения маневренности. Но и там конструкция оказалась дороговатой.

Возвращение к истокам

Однако идея не отправилась в архив. На волне увлечения мехатронными шасси о ней вспомнили и... приспособили к многорычажной подвеске. Ведь что такое «многорычажка»? Правильно, подвеска, которая сама меняет углы установки колес в зависимости от нагрузки.

Porsche и Ferrari первыми добавили к стандартной «многорычажке» исполнительные механизмы, наделив ее возможностями полноуправляемого шасси. На фоне стоимости этих машин цена доработки не казалась чрезмерной, а потому была оправданна. Пусть углы поворота колес при отсутствии полноценного рулевого управления на задней оси и невелики, но их хватает для заметного улучшения поведения в поворотах.

В дальнейшем, со снижением стоимости мехатронных компонентов, появилась возможность применить идею и на более «дешевых» машинах. Так, сегодня полноуправляемое шасси активно использует компания Audi на старших моделях на платформе MLB-Evo. Там конструкция подразумевает наличие на задней оси дополнительных подвижных тяг, которые управляются электроприводами по сигналу бортового компьютера и меняют угол поворота задних колес в пределах пяти градусов в зависимости от скорости и угла поворота передних. То есть технически управляемая задняя ось работает «по проводам», что заметно упрощает конструкцию.

Использование мехатронных приводов позволяет уменьшить зависимость настроек управляемости от жесткости шасси, в частности от режимов работы пневмоподвески, снизить затраты на доводку управляемости и влияние загрузки машины на процесс руления, а также заметно повысить маневренность.

Однако пока все это оправданно только на автомобилях премиум-класса: подобная доработка шасси не столь критично сказывается на общей стоимости и без того дорогого автомобиля.