Układ kierowniczy pod kontrolą

Radość z jazdy – każdy kierowca pragnie ją poczuć, ale nie każdy uświadamia sobie, skąd ona się bierze. A bierze się między innymi ze sposobu, w jaki pracuje układ kierowniczy auta. Przy jego ocenie liczy się to, czy koła skręcają w takim samym stopniu co kierownica, czy na sposób pracy układu ma wpływ jakość nawierzchni, jak dużej siły musi użyć kierowca, by skręcić kierownicą i czy na prostej samochód samoczynnie potrafi utrzymać kierunek jazdy.

Są to rzeczy tym ważniejsze, im bardziej prestiżowe jest auto i im wyższe stawiamy mu wymagania. O różnice między układami kierowniczymi zapytaliśmy inżynierów Porsche, Mercedesa, Audi i firmy ZF, dostawcy układów.

Porsche: nowe wspomaganie

Elektromechaniczne wspomaganie pozwala oszczędzić ok. 0,8 l/100 km w porównaniu z hydraulicznym

„To oczywiste, że musieliśmy wprowadzić tę technologię, choćby dlatego, że pozwala ona zmniejszyć zużycie paliwa o około 1,5% w porównaniu z autami ze wspomaganiem hydraulicznym” – twierdzi Christoph Bittner, szef działu rozwoju układów kierowniczych w Porsche. 

Dzisiaj w taki układ wyposaża się standardowo wszystkie modele firmy i nie słychać, by klienci się skarżyli. W naszych testach układy kierownicze Porsche także zdobywają punkty za to, że są dobrze skalibrowane pod kątem oczekiwań kierowcy, a przy tym dobrze informują, co dzieje się między kołami a asfaltem.

Układy kierownicze - technika

W testowym Macanie GTS Porsche zastosowało programowalny regulator układu wspomagania. Sposób działania układów kierowniczych można zmieniać, modyfikując oprogramowanie przekładni

W układzie elektromechanicznym, w odróżnieniu od hydraulicznego, dozowaną siłę wspomagania oblicza się na podstawie aktualnych parametrów jazdy, dostarczanych np. przez system regulacji dynamiki jazdy PSM; w hydraulicznym – według stałego programu uwzględniającego prędkość jazdy i siłę przyłożoną przez kierowcę do koła kierownicy.

Układy kierownicze - technika

Układ kierowniczy Porsche 911: moduł EPS (1), wałek wejściowy z kolumną kierownicy (2) i kolumna McPhersona (3), także wpływająca na wrażenie, jakie pozostawia układ kierowniczy

Poza tym nowy system bierze pod uwagę stan nawierzchni w danej chwili i to, czy samochód np. przyspiesza, hamuje albo jedzie po ciasnych zakrętach. Przeprowadzamy mały test na torze badawczym Porsche. 

Specjalny regulator zastosowany w układzie wspomagania elektromechanicznego doświadczalnego Macana pozwala odtworzyć różne zestrojenia układu kierowniczego i porównać je podczas jazdy. Już podczas drugiego okrążenia toru widać, że w porównaniu ze standardowym zestrojeniem układu w Porsche Macanie, ten stosowany w wersji GTS jest równie bezpośredni i czuły w szybko pokonywanych zakrętach, jednak podczas jazdy na wprost lepiej zachowuje obrany kierunek, kierowca nie musi się aż tak mocno koncentrować na utrzymaniu właściwego toru jazdy. To bardzo wygodne, zwłaszcza w czasie dalekich podróży.

Różnica nie jest duża, ale znamienna i trzeba wiele trudu, by ją wypracować. Żeby dobrze dostroić układ kierowniczy, trzeba przyjąć masę, którą należy wprawić w ruch (skręt) oraz zasymulować wielkość sił występujących pomiędzy kołami przedniej osi a nawierzchnią.

Załóżmy, że do ruszenia przyjętej masy jednej tony potrzeba siły 5000 N. Samo pokonanie bezwładności wirnika silnika elektrycznego pochłonęłoby z tego 2000 niutonów. Jednak regulator potrafi ją zasymulować – to kolejna zaleta tego rozwiązania, która bardzo pomaga w pracy nad zestrojeniem układu kierowniczego.

Wielu ludzi kupujących Porsche ma specjalne wymagania, chcą na przykład, żeby samochód był w kontrolowany sposób nadsterowny, czyli pozwalał jeździć driftem. Odpowiednie zestrojenie układu kierowniczego jest w tym wypadku wyjątkowo trudne, bo EPS „sam z siebie” zawsze dąży do ustawienia samochodu przodem do kierunku jazdy. Przeciwstawić się temu można tylko poprzez zastosowanie odpowiedniego oprogramowania układu kierowniczego.

Mercedes: zgodnie ze stylem marki

Mercedes stawia na komfort, zbyt bezpośredni układ kierowniczy nie pasuje do stylu tej marki. „Oczywiście nabywcy niektórych modeli oczekują, że będą one miały sportowe właściwości jezdne. Zapewniamy to poprzez dobór różnych przełożeń przekładni kierowniczej i jeśli trzeba, wybieramy bardziej bezpośrednie przełożenie w środkowym położeniu układu kierowniczego (jazda na wprost)”, twierdzi Gregor Kugelmann, szef działu zajmującego się tą tematyką w Mercedesie.

I tak np. układ w Mercedesie GLE Coupé ma przełożenie 17,4:1, a w „zwykłym” GLE – 18,9:1. Takie parametry określa się już we wczesnej fazie projektowania, mimo to każdy model pokonuje tysiące testowych kilometrów, podczas których wypróbowuje się najlepsze dla niego zestrojenie układu kierowniczego w ramach tego, co pasuje do filozofii marki. 

Układy kierownicze - technika

W Mercedesie klasy C na listwie zębatej przekładni umieszczono silnik elektryczny (1). Przy kierownicy znajduje się regulowany elektrycznie odcinek kolumny kierowniczej (2). Drążki kierownicze (3) łączą się z ramionami zwrotnic przy kołach

Dzięki elektromechanicznemu wspomaganiu to zestrojenie jest znacznie bardziej precyzyjne, ale przede wszystkim umożliwia zastosowanie nowych systemów asystujących. A propos: już w 1998 roku Mercedes zaprezentował SL-a sterowanego za pomocą dżojstika. 

Układy kierownicze - technika

Do Mercedesa GLE Coupé zaprojektowano nieco ostrzejszy układ kierowniczy, bo tego oczekują nabywcy aut o sportowym charakterze, tłumaczy Gregor Kugelmann

Wyzwaniem jest technologia steer-by-wire, czyli układ kierowniczy wykorzystujący podzespoły elektryczne sterowane elektronicznie zamiast układów mechanicznych. Ta technika okaże się zapewne bardzo przydatna w dalszej przyszłości, gdy samochody będą poruszały się autonomicznie. 

Zapewnienie największego bezpieczeństwa będzie wtedynajważniejsze i kierowca nie zawsze będzie musiał korzystać z kierownicy. W tej sytuacji steer-by-wire sprawdzi się najbardziej.

Audi: głównie chodzi o komfort

W modelu Q7 Audi postawiło na system wszystkich kół skrętnych. Chodziło o to, by samochód był jak najbardziej zwrotny, ponieważ większość klientów jeździ tym potężnym SUV-em głównie w mieście. Przy prędkości do 50 km/h tylne koła są skręcane w przeciwną stronę niż przednie maksymalnie o 5 stopni, co daje taki efekt, jakby rozstaw osi samochodu był krótszy o 28 cm.

Poza tym Q7 ma elektromechaniczny a nie hydrauliczny układ wspomagania układu kierowniczego. Dzięki niemu można uzyskać siłę wspomagania o wartości 17,5 kiloniutonów, dlatego taki układ może poradzić sobie z ciężkim, dużym Audi Q7. Chodzi też o zmniejszenie zużycia paliwa – zależnie od wersji samochodu i stylu jazdy można zaoszczędzić około 0,6 l paliwa na 100 km.

Układy kierownicze - technika

Według Audi najwyższą precyzję zapewni połączenie układu kierowniczego o zmiennej sile wspomagania (1) z systemem skręcania tylnymi kołami (2) i napędem na cztery koła (3). Takie rozwiązanie Audi zamierza zastosować w nowym A8

Audi stosuje również pewne szczególne rozwiązanie: tzw. dynamiczny układ kierowniczy, w którym przekładnia ma zmienne przełożenie zależne od prędkości jazdy, nawet w zakresie 100 procent. Taki układ ma działać bardzo bezpośrednio i sprawiać, że auto staje się wyjątkowo zwinne przy dużych prędkościach.

Ma też inną zaletę – gdy prawe i lewe koła znajdują się na nawierzchniach o różnej przyczepności, a kierowca musi zahamować, układ ten nie wymaga aż tak znacznego „odkręcania” kierownicy we właściwą stronę. To szczególnie ważne w wypadku kierowców o nieco mniejszym doświadczeniu.

Właśnie ten rodzaj układu kierowniczego, ale też wszystkie inne stosowane przez Audi są często krytykowane jako niezbyt precyzyjne i nie dające kierowcy wystarczającej informacji o tym, co dzieje się z kołami.

Christian Schimmel odpowiedzialny w Audi za kalibrację układów kierowniczych przyznaje: „Dotychczas priorytet miały u nas komfort, czyli utrzymywanie przez auto kierunku jazdy na wprost, akustyka, to, by kierownica obracała się lekko, a układ nie przenosił na kierownicę drgań pochodzących od nierówności nawierzchni. 

Cierpiały na tym jednak precyzja prowadzenia i informacja o tym, co dzieje się na styku kół z drogą. Aby rozwiązać ten konflikt, do udziału w zestrajaniu układów kierowniczych Audi zaprasza teraz inżynierów ze wszystkich działów pracujących nad konstrukcją zawieszenia. Schimmel dodaje: „Na podstawie badań neurologicznych opracowaliśmy model odczuwania bodźców przez człowieka. Wykorzystujemy go, by na podstawie pomiarów stwierdzić, jak konkretne zachowanie układu będzie odczuwane przez kierowcę”.

Układy kierownicze - technika

W modelu Q7 Audi zastosowało system kierowania wszystkimi czterema kołami, dzięki któremu dużym SUV-em łatwiej manewruje się w mieście

Okazało się na przykład, że człowiek nie rejestruje drgań większych niż te o częstotliwości powyżej 15 Hz, większe drgania układu kierowniczego nie niosą żadnych informacji dla kierowcy. W Audi Q7, ale przede wszystkim w A4, wyraźnie widać pod tym względem postęp, mimo że przekazywane przez układ kierowniczy informacje zwrotne ze styku kół z podłożem nie są tak dobre jak w wypadku aut konkurencji.

Jaki będzie kolejny krok Audi? Oprócz dalszych prac nad doskonaleniem reakcji układu kierowniczego będzie to zapewne zastosowanie (być może w kolejnym A8) układu łączącego przełożenie zależne od prędkości jazdy z systemem skręcania kół tylnej osi. Zwiększy to możliwości dynamiczne auta, ograniczając skłonność do nadsterowności.

ZF: kierowanie tylnymi kołami

Dostawca układów kierowniczych dla przemysłu samochodowego, firma ZF, również koncentruje się na pracach nad układem skręcania kół tylnej osi. Układy kolejnej generacji będą mniej kosztowne, więc będzie je można zastosować również w samochodach kompaktowych.

Dzisiaj skręcanie tylnych kół wykorzystuje niewiele aut, w tym Porsche i Renault m.in. w Mégane GT. Ponieważ taki układ bardzo trudno zastosować w modelach z belką skrętną, firma ZF opracowała od razu odpowiednią konstrukcję. Doświadczalny VW Golf pokazuje, jakie to daje efekty – auto albo jest zwrotne jak kompaktowy samochód sportowy, a mimo to stabilne podczas jazdy z dużą prędkością, albo w każdej sytuacji zachowuje się niezwykle spokojnie i bezpiecznie; poza tym bardzo lekko się nim manewruje.

Jest też ciekawostka – Golfem można sterować za pomocą pokrętła umieszczonego na środkowej konsoli. Działa to bardzo dobrze, chociaż w ten sposób nie da się jeszcze wykonać pełnego skrętu. Gdy auto jest wyposażone w system kierowania tylnymi kołami, można zmniejszyć kąt wychylenia kół przedniej osi. To z kolei pozwala zastosować węższe nadkola, co oszczędza miejsce, i dzięki temu może zmienić konstrukcję aut.

Układy kierownicze - technika

Firma ZF oferuje wiele wariantów modułu EPS przy przedniej osi (1). EPS z tyłu auta (2) zamontowano do osi nowej konstrukcji (3).

Fiima ZF jest też przekonana o zaletach elektromechanicznego wspomagania układu kierowniczego, który przyjął się już nawet na rynku chińskim i w Ameryce Południowej. Również tu głównymi argumentami są możliwość zastosowania systemów asystujących oraz zmniejszenie zużycia paliwa przez samochód. Dzisiaj na rynku jest dostępnych pięć rodzajów wspomagania elektromechanicznego, dostosowanych do rodzaju auta oraz do możliwości finansowych klientów.

Zasadnicze rozwiązania techniczne układów kierowniczych najczęściej są opracowywane przez firmy zaopatrujące producentów samochodów, a tylko w wyjątkowych wypadkach przez samych producentów aut. Jednak to właśnie oni muszą zadbać o to, by zestrojenie układu pasowało do charakteru marki. A my w testach możemy potem oceniać, czy to się udało.