Чотириколісне керування: від вантажівок до штучного інтелекту в кермі

Вступ

Чотириколісне керування (4WS) залишається одним із найбільш елегантних, але недооцінених досягнень у динаміці автомобілів. Активно керуючи як передніми, так і задніми осями, системи 4WS забезпечують поєднання маневреності на низьких швидкостях і стабільності на високих, яке не може зрівнятися з традиційними двоколісними системами. У цьому детальному огляді ми простежимо історію 4WS — від експериментальних початків на початку XX століття до його розквіту в японських спортивних купе 1980-х, а також до сучасних електричних вантажівок, розкішних седанів і нових реалізацій керування за допомогою електроніки, що використовують штучний інтелект та передові сенсори.

Історичний розвиток чотириколісного керування

Концепція чотириколісного керування виникла ще до Першої світової війни, коли в США використовували вантажівки вагою від ¾ до 10 тонн, такі як Cotta Cottamobile та Jeffery/Nash Quad. Ці ранні системи 4WS мали примітивні йоки та зв’язки, які дозволяли обом осям рухатися одночасно або з невеликими зсувами під час сильного керування.

• 1907–1915: Експериментальні системи 4WS у військових та сільськогосподарських вантажівках, механічні зв’язки з конічними шестернями.
• 1950-ті–1970-ті: Невеликі промислові транспортні засоби та гірничі установки впровадили просте керування задньою віссю для вузьких проходів.
• 1983: Концепт Mazda MX-02 продемонстрував гідравлічно асистоване 4WS у форматі легкового автомобіля.

Механічні та гідравлічні системи 4WS у 1980-х–1990-х

Honda Prelude Si 1988 року стала першим серійним легковим автомобілем, який запропонував активну, повністю механічну опцію чотириколісного керування. Вал з датчиком крутного моменту з’єднував передній механізм з планетарною передачею на задній осі, що забезпечувало:

• Одна фаза: До 1.5° заднього керування на низьких кутах переднього механізму для незначного покращення стабільності на високих швидкостях.
• Протилежна фаза: До 5.3° заднього керування на великих кутах керма, зменшуючи радіус повороту приблизно на 10%.

У 1989 році Nissan представив систему HICAS (“High Capacity Actively Controlled Steering”), яка використовувала спеціальний блок управління та гідравлічний актуатор на задній підрамці. Залежно від швидкості автомобіля та кута крену, HICAS застосовував корекції ±1° для покращення часу проходження слалому до 0.2 секунди та підвищення реакції на зміну смуги на 15%.

Mazda (626 Turbo 1988 року) та Mitsubishi (Galant VR-4 1987 року) пропонували гібридні системи, які поєднували керування в одній фазі на швидкостях понад 50 км/год з обмеженими змінами геометрії на низьких швидкостях. Проте складність упаковки, зростання курсу єни до долара та високі ціни (часто на +$2000–$5000) стримували широке впровадження.

Сучасні реалізації в електричних пікапах

У 2002 році GM представила систему Quadrasteer на моделях Chevrolet Silverado та GMC Sierra HD, використовуючи задній механізм з рейкою та шестернею, що керується електродвигуном, для забезпечення 15° протилежного керування при швидкостях нижче 72 км/год і 5° в одній фазі при вищих швидкостях. Переваги включали:

• Зменшення радіусу повороту з 14.3 м до 11.3 м (на 22% менше).
• Покращене слідування за причепом з особливим режимом буксирування, що обмежує відхилення задніх коліс до 12°.
• Покращена стабільність при зміні смуги під навантаженням до 3000 кг.

Проте опція за $5600 та занепокоєння щодо довговічності в робочих умовах призвели до її скасування у 2006 році.

Перенесемося в 2025 рік: GMC Sierra EV та Hummer EV відновлюють 4WS з повністю герметичними електричними актуаторами, інтегрованим управлінням температурою та оновленнями карт контролю через інтернет. Ці сучасні системи використовують:

• Актуатори з керуванням по проводах на передній та задній осях, що забезпечують ±10° керування з точністю 0.1°.
• Датчики кута крену, бічного прискорення та крутного моменту, що зчитуються з частотою 1 кГц для предиктивних контрольних циклів.
• Архітектура контролера домену, що забезпечує резервні режими та надлишковість для функцій ADAS рівня SAE 2+.

Керування за допомогою електроніки та контроль з використанням ШІ

Виходячи за межі механічних зв’язків, кілька виробників оригінального обладнання та постачальників першого рівня (ZF, Continental) прототипують повні системи керування за допомогою електроніки. Найближчий флагман Infiniti QX50 пропонує задню вісь з керуванням за допомогою електроніки, тоді як концепт Cadillac Celestiq та Lexus RZ 450e демонструють однопровідне управління передньою та задньою осями:

• Виключення проміжної колони керування знижує складність ремонту та зменшує вторгнення в салон.
• Алгоритми на базі штучного інтелекту коригують фазування передньої та задньої осей в реальному часі на основі поведінки водія, кривизни дороги та оцінок тертя, отриманих з предиктивної візуалізації.
• Тестування апаратного забезпечення в контексті (HiL) використовує цифрові двійники для сертифікації стабільності в усіх комбінаціях швидкості, навантаження та зносу шин.

Технічні характеристики та архітектура системи

Типові сучасні архітектури 4WS складаються з:

• Задній актуатор: Бездисковий двигун постійного струму (4–8 Нм постійного крутного моменту) з планетарною передачею та високоточним абсолютним енкодером.
• Блок управління: ECU на базі ARM Cortex-R, що зчитує дані з датчиків з частотою 1 кГц, працюючи на двоядерній HRTOS для контролю крену та бічного руху.
• Датчики: 3-осеві гіроскопи, акселерометри, датчики крутного моменту, датчики швидкості коліс, оптичні камери для вимірювання кривизни.
• Комунікація: Автомобільний Ethernet (100 Мбіт/с) або CAN FD (до 8 Мбіт/с) з резервними з’єднаннями для відповідності стандарту ISO 26262 ASIL D.

Думки експертів та прогноз для галузі

“Чотириколісне керування вже не є нішевим рішенням — воно стає необхідністю для високопродуктивних електромобілів та розкішних SUV,” говорить доктор Карін Мюллер, керівник відділу динаміки автомобілів у ZF. “Нові матеріали та компактні актуатори зменшили вагу на 30%, а сучасне програмне забезпечення тепер безперешкодно інтегрується з векторизацією крутного моменту та ADAS.”

Згідно з дослідженням 2024 року компанії AutoTech Consulting, проникнення 4WS у сегменті преміум електромобілів прогнозується на рівні 8% у 2023 році та зросте до 24% до 2028 року, підштовхнуте попитом споживачів на покращення маневреності при паркуванні на низьких швидкостях та стабільності при зміні смуги на високих швидкостях.

Майбутні напрямки та інтеграція автономності

У міру наближення автомобілів до автономності рівня SAE 4, 4WS стане критично важливим для:

• Міських шатлів: Вузькі маневри в переповнених середовищах, досягаючи радіусів повороту до 40% менше.
• Роботів для доставки останньої милі: Невеликі платформи 4WS зменшують площу пересування з бордюра до бордюра на 15%.
• Резервна безпека: Подвійні актуатори на кожне заднє колесо забезпечують продовження роботи при відмові в одній точці, що є важливим для безпеки пасажирів.

Висновок

Від надійних вантажівок початку 1900-х до сучасних електромобілів з керуванням за допомогою електроніки, чотириколісне керування пройшло повний цикл. Його основна обіцянка — покращена маневреність на низьких швидкостях у поєднанні з непохитною стабільністю на високих швидкостях — залишається такою ж привабливою, як і тоді, коли Honda та Nissan вперше вразили журналістів три десятиліття тому. Завдяки постійним досягненням у контрольних алгоритмах, злитті сенсорів та мініатюризації актуаторів, 4WS має всі шанси стати звичною рисою, не лише в розкішних автомобілях, а й у наступному поколінні автономних, міських та комерційних транспортних засобів.