Aktywne kierowanie

Układy kierownicze przestały być prostą mechaniczną przekładnią. Za sprawą coraz bardziej rozbudowanego osprzętu są już elementem istotnie podnoszącym komfort i bezpieczeństwo.

Jednym z najważniejszych podzespołów każdego samochodu jest układ kierowniczy. Zbiór przekładni, przegubów i drążków nie tylko pozwala na zmianę kierunku jazdy. Dobrze zaprojektowany układ kierowniczy współpracuje z zawieszeniem i gwarantuje wysoką precyzję prowadzenia, ułatwia utrzymywanie kierunku jazdy na wprost, informuje o rezerwach przyczepności, a jednocześnie nie przekazuje na koło kierownicy uderzeń, wibracji czy sił oddziałujących na koła podczas dynamicznej jazdy.

Początkowo stosowane sztywne kolumny kierownicze istotnie obniżały poziom bezpieczeństwa. Podczas poważniejszych kolizji lita rura była wbijana do kabiny i istotnie zwiększała obrażenia klatki piersiowej i głowy kierowcy. W latach 50. XX wieku opracowano koncepcję stref zgniotu oraz łamaną kolumnę kierowniczą z przegubami, które rozpraszały znaczną część energii uderzenia. W latach 60. rozwiązanie zaczęło pojawiać się w popularnych modelach samochodów.

Warto też wspomnieć o procon-ten – opracowanym przez Audi systemie, który stosowano w latach 1986 – 1994. Inżynierowie niemieckiej firmy szukali alternatywy dla drogich poduszek powietrznych i pirotechnicznych napinaczy pasów bezpieczeństwa. Postawiono na całkowicie mechaniczne rozwiązanie. Do tylnej części wzdłużnie osadzonej skrzyni biegów przytwierdzono stalowe linki. W momencie uderzenia, które było na tyle silne, by przemieścić zespół napędowy w kierunku przedziału pasażerskiego, cięgła – poprzez system bloczków – przesuwały koło kierownicy w stronę deski rozdzielczej, a poprowadzone w progach linki napinały pasy bezpieczeństwa. Rozwiązanie nieprzypadkowo pojawiło się w Audi. W wielu modelach marki dostępne były długie silniki R5, V6 i V8. Niewielka odległość między przednim wzmocnieniem a blokiem jednostki napędowej była gwarancją szybkiej reakcji procon-ten. System narzucał jednak ograniczenia podczas projektowania pojazdów oraz zwiększał ich masę. Nic dziwnego, że przegrał rywalizację z coraz tańszymi airbagami.

Na przestrzeni lat ewoluowało także spojrzenie na wspomaganie układu kierowniczego. W ogromnych amerykańskich krążownikach szos pojawiło się już w latach 50. XX wieku. Do pierwszej połowy lat 90. w wielu popularnych modelach z Azji i Europy pozostawało pozycją na liście wyposażenia opcjonalnego lub dodatkiem przewidzianym dla mocniejszych wersji. Obecnie za wspomaganie układu kierowniczego nie trzeba dopłacać nawet w samochodach segmentu A. To zmiana na lepsze. Przypomnijmy, że pozbawiony wspomagania układ kierowniczy nie stawia liniowego oporu – przy wolnej jeździe jest on bardzo duży, ale wyraźnie spada po rozpędzeniu auta.

Układy bez wspomagania nie są także bezpośrednie. Przełożenie musi być na tyle wysokie, by kierownicą były w stanie operować nawet słabsze osoby. Konieczność wykonania czterech obrotów między skrajnymi położeniami kierownicy utrudnia manewrowanie, pokonywanie zakrętów i wychodzenie obronną ręką z krytycznych sytuacji. W samochodach ze wspomaganiem układu kierowniczego przez dłuższy czas standardem było 2,5 – 3,2 obrotu „od oporu do oporu”. Teraz konstruktorzy stawiają na 2,0 – 2,5 obrotu. Nowy rozdział otworzyły progresywne układy kierownicze. Bezpośrednie przełożenie przy niskich prędkościach ułatwia manewrowanie i pokonywanie ciasnych zakrętów. Przy szybkiej jeździe priorytetem jest stabilność – do zmiany kierunku jazdy konieczny staje się większy kąt skrętu kierownicy. W samochodach BMW można spotkać rozwiązanie opracowane przez firmę ZF. Jego sercem jest elektronicznie sterowana przekładnia planetarna między kolumną a przekładną kierowniczą. Alternatywą stosowaną przez inne marki są klasyczne przekładnie kierownicze ze zmiennym przełożeniem. Mają listwę z zębami ustawionymi poprzecznie i skośnie. Pierwsze znajdują się w środkowej części – odpowiadają za stabilne prowadzenie przy wysokich prędkościach. Przy większym kącie skrętu kierownicy zaczynają działać skośne zęby. Za ich sprawą układ staje się bardziej bezpośredni.

Najpopularniejszym i stosowanym przez dekady sposobem wspomagania kierownicy w samochodach osobowych były układy hydrauliczne. To tanie w produkcji, praktycznie bezobsługowe i łatwe w naprawach rozwiązanie. Nie jest jednak pozbawione wad. W komorze silnika muszą znaleźć się przewody, zbiorniczek wyrównawczy i pompa wspomagania. Ostatnia z wymienionych jest napędzana paskiem klinowym. Pompa obciąża silnik, więc wpływa na zużycie paliwa – nawet podczas jazdy na wprost. Kontrola siły wspomagania była utrudniona. Konieczne było opracowanie elektrohydraulicznego układu z zaworami. Najpopularniejszy system tego typu, czyli Servotronic firmy ZF, zadebiutował w 1986 roku.

Kolejnym istotnym etapem rozwoju układów kierowniczych było wprowadzenie elektrohydraulicznego wspomagania. Pompa układu pracuje tylko wówczas, gdy jest niezbędna. Oszacowano, że zastąpienie hydraulicznego wspomagania elektrohydraulicznym odpowiednikiem zmniejsza średnie zużycie paliwa o 0,2 – 0,4 l/100 km. Teoretycznie niewiele, jednak po przemnożeniu przez miliony produkowanych samochodów daje to kolosalne oszczędności. Elektrohydrauliczne wspomaganie mogło być stosowane w samochodach z silnikami o małej mocy.

Aktualnie standardem stają się elektromechaniczne układy wspomagania. Są o połowę lżejsze od hydraulicznych i bardzo zwarte. Silnik uławiający kręcenie kierownicą może zostać zamontowany bezpośrednio na kolumnie kierowniczej, a w komorze silnika nie znajdziemy już przewodów hydraulicznych. Całością zawiaduje elektronika, co ułatwia dopasowanie siły wspomagania do sytuacji, a nawet pozwala na wprowadzenie przycisku do jej regulacji przez kierowcę. Wraz z elektrycznym wspomaganiem montowane są dodatkowe czujniki, będące źródłem potencjalnych błędów lub awarii. Producenci zwykle nie przewidują możliwości naprawy elektromechanicznego wspomagania. Przekładnia wraz z silnikiem wspomagającym oraz komputerem sterującym bywa traktowana jak integralna całość, której wymiana kosztuje krocie. Na szczęście wyspecjalizowanym serwisom udało się opracować technologię napraw systemów.

Elektrycznie wspomagane układy kierownicze, coraz bardziej zaawansowane czujniki odległości i kamery pozwoliły na zautomatyzowanie procesu parkowania. Pierwsza generacja asystentów rozwiązała kwestię parkowania równoległego. Rola kierowcy ograniczała się do wolnej jazdy wzdłuż miejsc postojowych z włączonym kierunkowskazem. W tym czasie czujniki skanowały wolną przestrzeń. Kiedy wykryły dostatecznie obszerne miejsce, kierowca włączał bieg wsteczny, a także obsługiwał gaz, sprzęgło i hamulec. Kontrolę nad układem kierowniczym przejmowała elektronika, która podczas parkowania potrafiła nawet wykonać kilka poprawek.

Od kilku sezonów wybrane marki oferują asystentów parkowania prostopadłego oraz wyjeżdżania z miejsca parkingowego. Poprzeczkę podniosło nowe audi Q7. Druga generacja niemieckiego SUV-a nie musi już skanować rozmiarów miejsc parkingowych. Jeżeli kierowca spróbuje w nie wjechać, elektronika zrobi wszystko, by wpasować Q7 w lukę między pojazdami – nieważne, czy będzie to wymagało parkowania prostopadłego, czy równoległego. Kolejnym smaczkiem jest asystent parkowania z przyczepą, który samodzielnie manewruje całym zestawem.

Elektrycznie wspomagane układy kierownicze istotnie ułatwiły także wdrożenie systemów utrzymujących samochód w pasie ruchu. W pierwszej generacji asystentów korekta toru jazdy następowała na drodze selektywnego hamowania wybranych kół. Rozwiązanie zdawało egzamin, jednak poprawki były mniej płynne i dokładne niż w systemach zmieniających kąt skrętu przednich kół. Inżynierowie nie ukrywają, że autonomiczna jazda przestała być pieśnią przyszłości. Współczesne odpowiednio wyposażone samochody są w stanie przemieszczać się bez pomocy kierowcy. Świetnym przykładem jest wspomniane już audi Q7 drugiej generacji. Asystent jazdy w korku analizuje sytuację wokół samochodu – z położeniem 32 innych pojazdów i oznakowaniem włącznie. Do 65 km/h jest w stanie podążać za poprzedzającym pojazdem i utrzymywać zadaną odległość. Samoczynne korygowanie toru jazdy jest możliwe także na autostradach, ale kierowca nie może pozwolić sobie na zdjęcie rąk z kierownicy. Po kilku sekundach elektronika przywoła go do porządku. Ograniczenie jest w dużej mierze następstwem aktualnie obowiązujących przepisów. Tajemnicą poliszynela jest to, że po odpowiednim obciążeniu kierownicy najnowocześniejsze samochody przestają podnosić alarm i potrafią samodzielnie pokonywać łuki spotykane na drogach krajowych czy autostradach.

Łukasz Szewczyk