.

Nasze Publikacje
Auto Moto Serwis 3/2009

Artykuł zastrzeżony prawem autorskim - kopiowanie w całości bez zgody autora zabronione

Elektryczne wspomaganie

 układu kierowniczego

Od wielu lat konstruktorzy pracują nad tym, aby siła potrzebna do skrętu kół była jak najmniejsza, auto zużywało jak najmniej paliwa i system odpowiednio wspierał kierowcę.

 Wspomaganie hydromechaniczne ułatwiło pracę kierowcom - składa się z pompy hydraulicznej, przekładni, siłowników, przewodów wysokociśnieniowych. Pompa napędzana przez silnik pracuję cały czas, wytwarza wysokie ciśnienie do 10 (Mpa). Powyższy układ powoduje straty mocy oraz zwiększa zużycie paliwa do ok. 0,5 litra na 100 (km). Zespoły wspomagane są dość drogie, ciężkie i zajmują dużo miejsca pod maską silnika. Ponadto okresowa wymiana i utylizacja zużytego oleju hydraulicznego wspomagania stanowi zagrożenie dla środowiska.
Ogromny rozwój elektroniki w pojazdach samochodowych umożliwił zastosowanie nowych konstrukcji w przekładniach kierowniczych. W 1981 roku opatentowano w USA elektryczne wspomaganie układu kierowniczego, a w 1988 roku pojawiły się pierwsze japońskie samochody z tym wynalazkiem.
Poniżej przedstawiam wspomaganie elektryczne stosowane w Fiacie Grande Punto produkowane przez firmę Delphi, którego zadaniem jest zmniejszenie siły na kole kierownicy.

rysunek 2 - elementy wspomagania elektrycznego układu kierowniczego FIAT Grande Punto

Zalety wspomagania elektrycznego w porównaniu ze wspomaganiem hydraulicznym:

• urządzenie posiada mniejszą ilość elementów a zatem mniejszy ciężar zespołu;

• łatwiejsza obsługa w krótszym czasie;

• wspomaganie elektryczne pochłania energię silnika tylko wtedy kiedy żądane jest wspomaganie kierownicy, zmniejszając zużycie paliwa i emisję zanieczyszczeń;

• zmniejszenie zanieczyszczeń (energia elektryczna jest czysta);

• tłumienie drgań w układzie kierownicy - mniejsza hałaśliwość;

• wspomaganie selekcyjne [Normal/City].

Działając na przycisk 8 [rys. 3] znajdujący się na pulpicie sterowań, użytkownik może wybrać jeden z dwóch sposobów prowadzenia : ,,Normal’’ lub ,,City’’

Zasada działania

W zależności od potrzeb kierowcy, wymaganego momentu na kole kierownicy i prędkości pojazdu, centralka sterowania elektrycznej przekładni kierowniczej 5 [rys. 3] steruje silnikiem elektrycznym 1 [rys. 4], który wspomaga kolumnę kierownicy w obrotach. Poprzez mechanizm ślimakowy silnik przekazuje moment na kolumnę kierownicy zmniejszając siłę przy skręcaniu.

rysunek 3 - schemat elektrycznej przekładni kierowniczej 1-skrzynka bezpieczników maxi na akumulatorze; 2-skrzynka bezpieczników; 3-wyłącznik zapłonu; 4-Body Computer; 5-centralka elektrycznej przekładni kierowniczej; 6-masa przednia elektrycznej przekładni kierowniczej; 7-masa deski rozdzielczej po stronie kierownicy; 8-zestaw wskaźników; 9-złącze diagnostyczne wielostykowe

Wspomaganie dokonuje także powrotu aktywnego koła kierownicy w zależności od kąta skrętu w stosunku do jego połażenia środkowego. Im większy kąt skrętu tym większe obciążenie silnika dla wyrównania kół.

Działając na przycisk znajdujący się na pulpicie sterowań 8 [rys. 3] kierowca może wybrać jeden z dwóch sposobów prowadzenia:

• ,,Normal’’-dla wspomagania normalnego, średniej i dużej prędkości,

• ,,City’’-dla łatwiejszego kierowania podczas parkowania na małej prędkości - dzięki większemu wspomaganiu.

W trybie ,,Normal’’ kierowca aby obrócić koła na postoju potrzebuje przyłożyć do koła kierownicy moment obrotowy 4-5(Nm), natomiast podczas wciśnięcia przycisku City - tylko 2-3(Nm). Od prędkości 70 km/h tryb pracy City wyłącza się automatycznie, aby zwiększyć stabilizację jazdy.

Umieszczony z boku obudowy motoreduktora, silnik   wspomagania 1 [rys. 4] wytwarza poprzez ślimak na koło zębate wspomagania moment o przełożeniu 22:1.

rysunek 4 - elementy motoreduktora 1-siłownik elektryczny z czujnikiem pozycji; 2-czujnik pozycji momentu; 3-serwomechanizm

Wałki wejściowy i wyjściowy są połączone ze sobą poprzez drążek skrętny, który pozwala na ruch kątowy od +8 stopni do -8 stopni (ograniczniki mechaniczne zapobiegają na dalsze zwiększanie skręcania).
Czujnik momentu 2 [rys. 4] stwierdza przestawienia kątowe pomiędzy wałkiem wejściowym i wałkiem wyjściowym i dostarcza sygnał do centralki 5 [rys. 3] -proporcjonalny do przestawienia.
Centralka dla sterowania wspomagania kierownicy zamocowana jest na korpusie wspomagania elektrycznego, opracowuje ona sygnały otrzymane na wejściu od czujników i steruje silnikiem elektrycznym, wytwarzając prąd potrzebny dla uzyskania momentu wspomagania. Ponadto steruje komunikacją w sieci CAN oraz dokonuje autodiagnostyki ciągłej systemu.
Centralka Body Computer 4 [rys. 3] służy do odbioru sygnału analogowego, który zostaje zmieniony po zwolnieniu przycisku zapalając sygnalizację odpowiednią dla momentu zadanego przez kierowcę - większą od 1(Nm).
Silnik elektryczny jest typu synchronicznego samo wzbudzany trójfazowy (bez szczotek) z wirnikiem z magnesami stałymi. Rozdzielanie mocy i sterowanie fazami jest regulowane z centralki sterowania 5 [rys. 3]. Pobór prądu zależy od większości siły wspomaganej i wynosi od 1-80(A). Czujnik mierzy moment i pozycję wałka wyjściowego. Moment skręcający na drążku skrętnym pomiędzy dwoma wałkami określa wartość momentu zadanego pomiędzy kołem kierownicy i kołami skrętnymi.
W samochodzie zastosowano nowoczesną strukturę połączeń elektrycznych z siecią CAN - gdzie komunikacja odbywa się pomiędzy wieloma centralkami sterowania, co pozwala skutecznie wykorzystać zasoby pojazdu. Najważniejszym elementem sieci jest Body Komputer 4 [rys. 4], który pełni funkcję sterowania siecią.
Diagnostyka węzłów podłączonych do sieci CAN jest realizowana przez złącze diagnostyczne wielostykowe 9 [rys. 3].

Diagnostyka i naprawa

Elektryczne wspomaganie układu elektrycznego jest wyposażone w samodiagnozę i pamięć niesprawności. Do diagnozowania całego systemu elektrycznego układ posiada 16 stykowe gniazdo diagnostyczne 9 [rys. 3].

Do diagnozowania niesprawności możemy korzystać ze standardowego testera Examiner lub innych przyrządów diagnostycznych np. KTS 540. Wspomaganie elektryczne posiada zwartą budowę, części są nierozbieralne, a w układach najczęściej wymienia się:

• zestaw naprawczy ( silnik elektryczny wraz z czujnikiem pozycji);

• centralkę elektroniczną;

• wałek kolumny kierownicy ( jako całość).

Poniżej przedstawiam podstawowe elementy układu, które należy zdiagnozować przed podjęciem decyzji o ewentualnej wymianie zespołu wspomagania kierownicy.

1        Sprawdzić zasilanie (+15) (4 Rys. 3.0) podłączając Examiner w trybie woltomierza  końcówkę dodatnią ze stykiem (1) konektora (B) i ujemny do masy. Obrócić kluczyk w pozycję marcia i odczytać napięcie akumulatora ~12(V).

Jeżeli napięcie jest niewłaściwe - przywrócić ciągłość połączenia pomiędzy Body Computer 4 [rys. 3] [Styk (24) konektora (D) i centralką przekładni kierowniczej (5) styk (1) konektora (B)]. Sprawdzić ciągłość bezpiecznika 7,5(A) znajdujący się w Body Computer. Jeżeli jest przepalony - wymienić go po sprawdzeniu przyczyny.

Sprawdzić połączenie z masą,  tj. ciągłość połączenia pomiędzy stykiem (B) konektora (A) i masą 6 [rys. 3].

 Sprawdzić zasilanie (+30). Połączyć przyrząd diagnostyczny w trybie woltomierza, tj. końcówkę dodatnią ze stykiem (A) konektora (A) i ujemny z masą i odczytać napięcie ~12 (V). Jeżeli napięcie jest niewłaściwe sprawdzić ciągłość bezpiecznika (70A)w skrzynce bezpiecznikowej na akumulatorze 3 [rys. 1]. Jeżeli jest przepalony wymienić go po sprawdzeniu przyczyny.

4        Jeżeli występuje brak elektrycznego wspomagania kierownicy z zapaleniem się sygnalizacji awarii należy sprawdzić za pomocą przyrządu w węźle elektrycznej kierownicy, czujnik pozycji, momentu kolumny, ewentualna usterka akumulatora, węzła Body komputera lub sieci CAN.

Należy pamiętać, że podczas wymontowywania i zamontowania układu wspomagania, układ kierowniczy musi być zablokowany
w środkowym położeniu. Ważne jest to by czujnik koła skrętu znajdował się dokładnie w położeniu środkowym, gdy koła są ustawione do jazdy na wprost. Po zamontowaniu nowego układu wspomagania wykorzystując Tester Examiner należy wyświetlić punkt ,,pozycja kąta skrętu’’. Na kole kierownicy na wprost i kołach ustawionych na wprost, wartość ta musi wynosić 0^o ( zero stopni).

Przegląd innych elektrycznych systemów wspomagania układu kierowniczego.

a)       Mechanizm kierowniczy z elektrycznym wspomaganiem japońskiej firmy NSK.

rysunek 7 - mechanizm kierowniczy z elektrycznym wspomaganiem japońskiej firmy NSK

            b)  Wspomaganie elektryczne układu kierowniczego Citroen C3.

rysunek 8 - wspomaganie elektryczne układu kierowniczego Citroen C3

c)       Elektryczny układ wspomagania kierowniczego Servolectric.     

rysunek 9 - Serwolectric produkowany przez ZF Lenksysteme GmbH stosowany w pojazdach VW Passat, Audi, Seat, Skoda

d)       Aktywny układ kierowniczy (active steering firmy BMW)

Oprócz zmiennej siły wspomagania w/w układ pozwala na dynamiczną korektę przełożenia układu kierowniczego. Głównym elementem aktywnego układu kierowniczego jest przekładnia planetarna wbudowana w kolumnę kierownicy.

rysunek 5 - aktywny układ kierowniczy Active Steering BMW 1-silnik elektryczny; 2-przekładnia planetarna; 3-listwa zębata przekładni kierowniczej; 4-wał kolumny kierowniczej; 5-przegub krzyżakowy wału kierownicy

Pomiędzy wałem kolumny kierownicy (4) [rys. 5], a zębatkową przekładnią kierowniczą (3) umieszczona jest mała przekładnia planetarna (2). Przekładnia planetarna napędzana jest silnikiem elektrycznym (1). Silniczek elektryczny płynnie reguluje przełożenie skrętu kierownicy na kąt skrętu kół w zależności od aktualnej prędkości jazdy. Decyzja o tym, jakie przełożenie ma być dobrane, zapada w ciągu 0,01 sekundy. Obroty silnika elektrycznego w jedną stronę powodują zwiększenie sumarycznego przełożenia przekładni kierowniczej, a w drugą zmniejszenie. W sytuacji gdy kierowca musi nagle ominąć przeszkodę tylko lekki ruch kierownicą umożliwia znaczny skręt kół, natomiast przy dużych prędkościach jazdy na wprost czułość układu kierowniczego jest mniejsza – co polepsza precyzję całego systemu. Przy parkowaniu w mieście aktywny układ kierowniczy zwiększa przełożenie np.: 10:1 do 25:1 podczas jazdy z prędkością maksymalną. Aby zwiększyć bardziej stabilność pojazdu, aktywny układ kierowniczy dodatkowo połączony jest z układem dynamicznej kontroli stabilności DSC. Jeżeli nagłe omijanie przeszkody grozi zarzuceniem tyłu, DSC już w zarodku rozpoznaje obrót pojazdu wokół osi pionowej i aktywny układ kierowniczy natychmiast mu przeciwdziała. Przy hamowaniu na nawierzchni o różnej przyczepności aktywny układ kierowniczy jest również w stanie stabilizować pojazd poprzez układ DSC.

Uwzględniając powyższe - komfortowe manewrowanie pojazdem nie wymaga wielu obrotów kierownicy. System pracuje bardzo precyzyjnie, a samochód jest zwinny i zwrotny. Efektem jest wyższe bezpieczeństwo poprzez stabilniejszy tor jazdy.

 Oprócz wielu zalet już wcześniej wspominanych elektrycznego wspomagania kierownicy należy wymienić jeszcze to, że doskonale ona współpracuje z zębatkową przekładnią kierowniczą, którą posiada większość pojazdów.

W/w układy także łatwo można zintegrować z elektrycznymi systemami bezpieczeństwa (ABS, ESP, DSC, itp.).

Także przepisy ochrony środowiska przemawiają za ogromnymi zaletami napędu elektrycznego wspomagania kierownicy.
 

początek strony