fb logo

Aktualne wydanie

Okladka AMS 04 2020

Coraz więcej 4WS

0dOznaczenie 4WS nie jest dla miłośników samochodowych technologii nowe. To skrót od angielskiego „4 wheel steering” – czyli „kierowanie czterema kołami”. Sam pomysł ma długą historię. Niektórzy twierdzą, że dłuższą niż historia samochodu. Teraz coraz częściej powraca i to wcale nie tylko w autach specjalnych czy luksusowych.

Użycie osi tylnej pojazdu (zamiast przedniej lub jednocześnie z nią) do realizacji skrętu było na porządku dziennym nawet gdy o samochodach prawie nie myślano. Układy kierowania wszystkimi kołami można odnotować już w parowych lokomobilach. Ich konstruktorzy zapewne zauważyli, że gdy koła przednie kieruje się w stronę skrętu, a tylne w stronę przeciwną, promień tego skrętu zdecydowanie maleje, a w skrajnym przypadku możliwe jest „zawracanie w miejscu”. Dla nieporęcznych i ciężkich pojazdów było to rozwiązanie bardzo korzystne. Nie poszukiwano wtedy szczególnej technicznej finezji – w pojazdach poruszających się z minimalnymi prędkościami wystarczyło, by skręcana była cała tylna oś, połączona mechanicznie z przednią. Takie lub podobne rozwiązania stosowano później także w maszynach rolniczych, samochodach ciężarowych, pojazdach terenowych i maszynach roboczych. Chyba każdy widział w akcji współczesne wózki widłowe, którym skręcanie kół tylnej osi pozwala naprawdę sprawnie manewrować na niewielkich przestrzeniach. Historycy techniki podają, że zaawansowane konstrukcje układów kierowniczych powodujących skręcanie wszystkich kół samochodu pojawiły się dopiero we wczesnych latach 20., często wraz z napędem czterech kół. Pojawiły się więc: prototyp brytyjskiego Holvertera, amerykański Nash Quad i przede wszystkim wojskowe terenowe Mercedesy 170 VL oraz G5 (tuż przed II wojną światową). Skręcanie kół było realizowane w nich mechanicznie poprzez dołączenie do mechanizmu kierowniczego kół przedniej osi systemu dźwigni i drążków powodujących zwracanie kół tylnej osi w kierunku odwrotnym do przednich. Taki system pojawiał się też w prototypach późniejszego amerykańskiego Jeepa. Konstruktorzy nie decydowali się na zastosowanie tych rozwiązań w samochodach „nieterenowych”, gdyż przy większych prędkościach auto takie stawało się ekstremalnie niestabilne.
Przez kolejne kilkadziesiąt lat technologia 4WS była zarezerwowana dla pojazdów specjalnych, które miały problem z uzyskaniem odpowiednio małego promienia skrętu. Temat powrócił do masowej motoryzacji dopiero na przełomie lat 70. i 80. XX wieku, gdy zaczęto zastanawiać się nad różnymi aspektami bezpieczeństwa jazdy, w tym możliwością usprawnienia układów kierowniczych. Niektórzy producenci zauważyli też zapewne, że sprawne wykorzystanie nowych możliwości samochodu da im pewne argumenty marketingowe. Powstał wtedy wspólny dla kilku koncernów program tworzenia nowych, bezpiecznych konstrukcji samochodów zwany ESV (Experimental Safety Vehicle). Jedną z części tego programu była ewentualna poprawa własności trakcyjnych aut, w tym również przy pomocy poprawy działania układów kierowniczych.

1d
Choć prace w tym zakresie podjęli też producenci europejscy (grupa VW–Audi), to rzeczywiste zainteresowanie badaniami wykazali tylko Japończycy, co można wiązać z ich (ówczesnym) dążeniem do zaistnienia na rynkach USA i Europy. Wkrótce pojawiły się efekty rynkowe, czyli propozycje samochodów z innowacyjnymi układami kierowniczymi, przedstawione właściwie przez wszystkich producentów japońskich.

Pierwszeństwo Hondy
Najbardziej znane są dokonania Hondy, co prawdopodobnie wynika z minimalnego pierwszeństwa tego producenta – jego auto z napędem 4WS (Honda Accord) pojawiło się na początku roku 1987. Trzeba jednak zauważyć, że prace trwały ok. 10 lat. Problem musiał być zatem skomplikowany. Honda rozpoczęła od badań podstawowych, tj. od próby określenia, jak powinien zachowywać się układ kierowniczy samochodu, który ma wykazać się lepszymi własnościami drogowymi niż pojazd tradycyjny, ze skręcanymi przy pomocy tradycyjnego układu Ackermana kołami osi przedniej. Zaangażowani w tę kwestię naukowcy stwierdzili, że sprawa jest dość skomplikowana, gdyż ów ulepszony układ kierowniczy musi działać odmiennie przy różnych prędkościach jazdy i siłach bocznych na zakręcie. Małe prędkości pozwalają na zastosowanie skrętu kół tylnych w stronę przeciwną niż przednie, co przynosi od dawna znany efekt – zacieśnienie toru jazdy. Co ciekawe, nawet minimalne skręty kół tylnych (liczone w pojedynczych stopniach) powodują zauważalny efekt poprawy manewrowości samochodu. Jednak przy większych prędkościach, gdy zaczynają się liczyć odkształcenia układu zawieszenia, znoszenia opon, i gdy pojawia się zauważalna charakterystyka nad- lub podsterowności auta, należy poszukiwać większej stabilności prowadzenia. Ta zaś pojawia się, gdy koła osi tylnej są skręcane minimalnie w tę samą stronę, co koła przedniej osi. Wynika to prawdopodobnie z faktu, że przy takim zachowaniu kół tylnej osi, kąty znoszenia tylnej osi (wynikające np. z odkształcenia opon) stają się mniejsze, a zatem granica przyczepności bocznej tylnych kół do nawierzchni sięga minimalnie dalej. Mówiąc więc inaczej, samochód powinien być nieco nadsterowny przy małych prędkościach i minimalnie podsterowny przy większych prędkościach lub przy wzrastających siłach bocznych na zakręcie.
Problemem było „tylko” to, jak zrealizować te założenia przy użyciu jednego i tego samego układu kierowniczego działającego na wszystkie cztery koła. Pamiętajmy, że w latach 80. zeszłego wieku inżynierowie nie dysponowali jeszcze tak zaawansowaną mechatroniką. Honda zdecydowała się zatem na rozwiązanie czysto mechaniczne. Układ, zresztą wielokrotnie modyfikowany i długo badany, składał się z przedniego mechanizmu kierowniczego, wału pośredniego i tylnego mechanizmu kierowniczego zbudowanego w oparciu o zębaty układ mimośrodowy i przekładnię planetarną. Użyto tu zależności między kątem obrotu kierownicy, a kątem i kierunkiem skrętu kół tylnych. W wersji skierowanej do produkcji przy obrocie koła kierownicy powyżej kąta 246o koła tylne skręcane były w przeciwnym kierunku do przednich nawet o kąt 5,3o, co powodowało zmniejszenie promienia zawracania o 10 proc. Przy obrocie koła kierownicy o mały kąt tylne koła skręcały się w tym samym kierunku do 1,5o.
Rozwiązanie Hondy zaprezentowano oficjalnie w roku 1987 w modelu Prelude, znajdowało się ono także w ofercie innych modeli tej marki. Niestety, podwójny mechaniczny układ kierowniczy nie pracował na tyle płynnie, by jego działanie podobało się kierowcom lubiącym dynamiczną jazdę. Mimo to doceniano mniejszy promień skrętu, korzystny np. w warunkach miejskich. W rezultacie 4WS Hondy nie podbił Europy, w USA przyjmowany był różnie, a najwięcej korzyści przyniósł marce na rynku japońskim, gdzie nowinki techniczne zawsze są wysoko cenione. Wraz z zakończeniem produkcji modelu Prelude zaprzestano stosowania mechanicznego 4WS we wszystkich modelach Hondy. W roku 1991, w nowym modelu Prelude 4WS, tylny układ kierowniczy sterowany był już komputerowo i zastosowano siłownik elektryczny.

2d

Inne pomysły 4WS
Praktycznie wszystkie firmy japońskie w latach 80. chwaliły się swoimi rozwiązaniami 4WS i co ciekawe, ponieważ były to rozwiązania opatentowane, w praktyce każda z firm prezentowała swoje odmienne konstrukcje. Na przykład Mazda, zaledwie kilka tygodni po Hondzie Prelude, zaprezentowała model 626/MX-6 4WS. W tym przypadku wał wiodący od przedniego do tylnego układu kierowniczego przenosił jedynie informację o kącie skrętu kierownicy do siłownika hydraulicznego, a kąt i kierunek skrętu tylnych kół obliczany był elektronicznie. Przy małych prędkościach koła tylne skręcane były przeciwnie do przednich, a przy dużych odwrotnie.
Także Mitsubishi zaprezentowało podobnie wyposażonego Galanta VR-4, jeszcze pod koniec 1987 r. W tym przypadku nie było mechanicznego połączenia między przednim i tylnym układem kierowniczym, a rozwiązanie miało charakter elektrohydrauliczny. Toyota pracowała nad 4WS nieco dłużej, bo do roku 1989. Rozwiązanie tego koncernu było zbliżone do rozwiązania Mazdy (wał z układu kierowniczego, hydraulika w tylnym układzie kierowniczym i sterownik elektroniczny), ale w modelu Celica Dual Mode 4WS możliwe było wybranie trybu pracy sportowego lub standardowego. Całkiem zaawansowany był też układ 4WS Nissana, będący częścią „sterowanego” zawieszenia HICAS/Super HICAS (High Capacity Actively Controlled Suspension – rok 1988 i lata późniejsze). I tu zastosowano sterowanie komputerowe układu hydraulicznego, który oddziaływał na drążki tylnego zawieszenia.
Trzeba wspomnieć, że nie we wszystkich przypadkach realizacji 4WS konstruktorzy decydują się na zastosowanie tylnej zwrotnicy. Możliwa jest także niewielka zmiana skrętu kół w ramach elastyczności elementów metalowo-gumowych zawieszenia. Nissan kilka lat później w kolejnej wersji zawieszenia HICAS zastosował już siłownik elektryczny, zamiast hydraulicznego. Układy kierownicze 4WS trafiły do Europy w znacznie prostszej, pasywnej formie. Pierwowzorem pasywnej korekcji ustawienia tylnego zawieszenia było tzw. zawieszenie Weissach stosowane w Porsche 928. Użyto tu precyzyjnie dopracowanych sztywności elementów metalowo – gumowych tylnego zawieszenia tak, aby przy zmianach momentu napędowego (nagłe ujęcie gazu), tylne koła zawsze zwiększały zbieżność, a nie wychylały się w stronę rozbieżności. Dzięki temu uzyskano większą stabilność kierunkową samochodu w zmiennych warunkach. Pewnego rodzaju sensacją było zastosowanie przez firmę Citroën, w 1991 r., w modelu ZX, tylnej osi z wahaczami wleczonymi z innowacyjnym elastycznym mocowaniem. Pod bocznym obciążeniem na zakręcie pozwalało ono na samoczynny skręt tylnego zewnętrznego koła „do środka zakrętu”. Efektem miała być korzystna stabilizacja toru jazdy samochodu i zmniejszenie tendencji do nadsterowności oraz bocznych uślizgów. Rozwiązanie to działało, ale przez niektórych było krytykowane za nieco skokową, czyli niepłynną charakterystykę. Citroën z czasem dopracował swoje elastyczne mocowanie tylnej osi i w kolejnej wersji tego samochodu (Citroën Xsara) prowadzenie było już bez zarzutu. Obecnie w każdym nowo konstruowanym samochodzie można znaleźć elementy tego pomysłu Citroëna, niezależnie od konstrukcji tylnego zawieszenia. Oczywiście nie jest to pełne, aktywne 4WS i przede wszystkim brakuje funkcji zacieśniania zakrętów przy niewielkich prędkościach. Z kolei ta właśnie funkcja była stosowana do niedawna przez General Motors w niektórych dużych pickupach. Rozwiązanie firmy Delphi nazywa się Quadrasteer – układy kierownicze przodu i tyłu są całkowicie rozdzielone, a ten tylny obsługiwany jest oddzielnym siłownikiem sterowanym komputerowo. Quadrasteer miał bardzo praktyczne zastosowanie – duże, a przede wszystkim długie pickupy miały dzięki niemu stać się bardziej poręczne i przyjazne. Okazuje się jednak, że amerykańscy klienci nie chcieli dopłacać za to udogodnienie, być może bojąc się awaryjności dodatkowego układu. Podobnie działa system stabilizacji toru jazdy opracowany przez firmę Teves. Szczególne jest to, że Niemcy skręcają tylne koła tylko w ramach elastyczności gumowo-metalowych mocowań zawieszenia. Podobne rozwiązanie opracował Hyundai i nazwał je AGCS.

3d

Współczesne 4WS
Można by domniemywać, że era aktywnych układów 4WS minęła, pozostawiając na rynku tylko nieliczne rozwiązania, głównie w dużych samochodach luksusowych. Jeżeli cena nie gra roli, to można sobie pozwolić na wszystko, by np. móc łatwiej zaparkować. I rzeczywiście, 4WS spotkamy teraz np. w BMW serii 7 i 5, w niektórych Lexusach i w paru innych dużych samochodach japońskich. Warto dodać, że pod względem koncepcyjnym nic nowego się nie pojawia – to, co opracowali naukowcy Hondy i inni producenci z Japonii ok. 40 lat temu, obowiązuje do dzisiaj i nie zmieni się – jadąc powoli, możemy skręcać tylne koła o kilka stopni przeciw przednim, jadąc szybko, musimy je skręcać mniej i zgodnie z przednimi. Cóż się zatem zmienia? Wspomniana wyżej mechatronika, która sprawia, że dobre sterowanie 4WS jest dziś względnie łatwe. Nie znaczy to, że nie wymaga badań, wręcz przeciwnie. Ale elektronika i współpracująca z nią mechanika pozwalają uwzględniać taką liczbę czynników, że 4WS staje się sprawną pomocą w prowadzeniu samochodu, nie zwracając przy tym na siebie uwagi. A o to przecież chodzi.
Drugą kwestią są koszty – okazuje się, że układy te można montować już nawet w samochodach ze średniej półki cenowej. Wobec tego pojawiają się nowi producenci, którzy oferują 4WS i nie są to wyłącznie producenci japońscy. Ostatnio rozwiązaniami takimi zainteresowali się Niemcy (Audi, Porsche), a wcześniej Francuzi z Renault. O ile jednak Renault (stosując 4WS w Lagunie GT i teraz w Megane GT) korzysta z aliansu z Nissanem, o tyle Porsche (najpierw w 911 Turbo i GT3, a obecnie w całej gamie 911) i Audi (jako opcja w Q7) robią to z własnej inicjatywy.

4d

Współczesne układy 4WS tych producentów technicznie dość różne, są koncepcyjnie bardzo podobne. Dziś już nie stosuje się żadnych mechanicznych ani hydraulicznych połączeń przedniego układu kierowniczego z tylnym. Wszystkim zarządza elektronika, a siłownik (lub dwa siłowniki, oddzielne dla prawego i lewego tylnego koła, jak w Porsche) są czysto elektryczne. Zelektronizowanie współczesnych aut pozwala uwzględnić w pracy tylnego mechanizmu kierowniczego wszelkie możliwe parametry jazdy, czyli nie tylko prędkość i kąt obrotu kierownicy, lecz także np. prędkości obrotowe kół jezdnych, zachowanie ABS i ESP, przyspieszenia boczne i podłużne itp. W rezultacie praca 4WS może być płynna do tego stopnia, że w praktyce niezauważalna dla kierowcy. Tyle tylko, że jeździ się lepiej, bo ciasne manewry są łatwiejsze, a przy dużych prędkościach na zakrętach pojawia się (pozornie) więcej przyczepności. A przynajmniej stabilność samochodu jest lepsza, co musi być istotnym czynnikiem, jeżeli 4WS stosowane jest przez Porsche we flagowym modelu 911. Możliwe jest też wykorzystanie wychyleń tylnych kół do współpracy z ESP i do stabilizacji toru jazdy na zmiennej nawierzchni – różnej pod prawymi i lewymi kołami. A kierowca myśli sobie – patrzcie jak dobrze prowadzę! I nawet nie wie, że jego jazdę kontruje programista, który może nawet nie ma prawa jazdy...

 Jerzy Dyszy

homeWyszukiwarka

mailNewsletter

PassThru

Redakcja „Auto Moto Serwisu” w 2017 roku rozpoczęła cykl publikacji dotyczących PassThru – procedury dostępu online do portali internetowych wybranych producentów pojazdów. Przedstawiamy proces pierwszej rejestracji, diagnostyki pojazdu i programowania sterowników dla poszczególnych marek samochodów.

Czytaj więcej

Prenumerata 2020

prenumerata2020 baner

 

mobile phoneAplikacja Android

Zapraszamy do korzystania z naszego serwisu informacyjnego dostępnego na smartfonach z systemem android. Znajdują się tu wiadomości z działów: nowości, z życia branży oraz szkolenia. Aplikację Auto Moto Serwis można ściągnąć bezpłatnie ze sklepu Google Play.

UWAGA! Ten serwis używa cookies i podobnych technologii.

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Czytaj więcej…

Zrozumiałem