W poniższym artykule przedstawiamy model wspomagania kierownicy, który jest stosunkowo nowy, ale obecnie wręcz wszechobecny w pojazdach samochodowych.

Elektromechaniczne wspomaganie kierownicy – historia

W 1981 roku firma ZF opracowała elektromechaniczny układ wspomagania kierownicy, ale ze względu na wymagania przestrzenne, techniczne i kosztowe nie był on jeszcze gotowy do masowej produkcji i minęło stosunkowo dużo czasu, zanim pojawił się na drogach. Wreszcie, 24 lata później, ThyssenKrupp Presta SteerTec zaprezentował zaawansowany elektromechaniczny system wspomagania kierownicy, który zapoczątkował prawdziwy boom w tej branży.

Wymagania dla systemu wspomagania EPS (Electronic Power Steering) to:

• Wymagany moment skrętu podczas parkowania powinien być niski.
• Gładki i równomierny wzrost momentu obrotowego bez irytujących skoków.
• Określona pozycja jazdy na wprost.
• Szybka reakcja układu kierowniczego.
• Szybkie wspomaganie dodatkowe.
• Minimalne zużycie energii.

Przeciwieństwem tych wymagań jest twarda pozycja na wprost i niski moment obrotowy układu kierowniczego podczas parkowania. Problem ten można rozwiązać poprzez uzależnienie siły wspomagania od prędkości jazdy, co jednak znacznie zwiększa koszty układu hydraulicznego.

Produkowane obecnie elektromechaniczne wspomaganie kierownicy zwiększa zwykle siłę piętnastokrotnie. Największą zaletą jest to, że EPS pozwala na oszczędność paliwa rzędu 0,4 l/100 km w porównaniu z układem elektrohydraulicznym.

Elektromechaniczne wspomaganie kierownicy współpracuje również z systemem ESP i układem hamulcowym. Kierowca za pomocą pozycji kierownicy komunikuje tylko żądanie dotyczące skręcania. Jeśli np. hamowanie odbywa się na drodze o zmiennym współczynniku przyczepności i samochód jest znoszony na jedną stronę, system ESP rozpoznaje to i wydaje polecenia automatycznej korekty. Na przykład nie ma potrzeby zmniejszania ciśnienia hamowania na jednym lub drugim kole, co wydłużyłoby drogę hamowania. Integracja systemów staje się coraz ważniejsza.

Na moment obrotowy i kąt skrętu kierownicy można w pewnym stopniu wpływać niezależnie.

Korzyści

• Brak konieczności stosowania przewodów, zbiornika oleju i pompy – znaczna oszczędność w produkcji pojazdów, dzięki prostocie instalacji.
• Ponieważ olej jako medium robocze stał się zbędny, system elektryczny jest bardziej ekologiczny. Przynosi to również wiele korzyści eksploatacyjnych, ponieważ nie ma potrzeby zakupu, a następnie zbierania i transportu zużytego oleju.
• Największą korzyścią jest jednak oszczędność paliwa, którą można osiągnąć, ponieważ moc jest zużywana tylko podczas kierowania.
• Większe bezpieczeństwo i komfort pracy.
• Prostsza i skuteczniejsza diagnostyka niż w przypadku hydraulicznego wspomagania kierownicy.
• Dobrze współpracuje z różnymi systemami wspomagania kierowcy

Zwiększenie bezpieczeństwa czynnego dzięki EPS

• W sytuacji niebezpiecznej jazdy, która jest wykrywana przez elektronikę systemu ESP, możliwe jest ostrzeżenie kierowcy, np. poprzez wibracje kierownicy.
• EPS umożliwia również korzystanie z systemów wspomagających. Na przykład inteligentna stabilizacja ESP przy bocznym wietrze. W przypadku konwencjonalnego układu kierowniczego nie ma połączenia danych pomiędzy ESP a układem wspomagania.
• Możliwość korekty błędów w prowadzeniu pojazdu. Na przykład, jeśli samochód niezamierzenie opuszcza pas ruchu, kierownica wibruje, a jeśli kierowca nie reaguje, system sam interweniuje.

Rodzaje

• EPS c – (kolumna): silnik elektryczny na kolumnie kierownicy
• EPS p – (zębnik): silnik elektryczny na małym biegu
• EPS dp – (podwójny zębnik): dwa małe koła zębate
• EPS apa – (równoległa oś): silnik elektryczny równoległy do kolumny

Silniki elektryczne

Silniki elektryczne do EPS muszą spełniać bardzo rygorystyczne wymagania, gdyż jednostka ta jest „sercem” układu wspomagania kierownicy.

Główne oczekiwania:

• dobra wydajność,
• najmniejsze możliwe rozmiary i zajmowana przestrzeń,
• wysoki i szybko osiągany moment obrotowy.

Należy zaznaczyć, że jednostki, które są montowane na kierownicach ze wspomaganiem, nie są zwykłymi silnikami elektrycznymi produkowanymi seryjnie, ale są specjalnie stworzone do konkretnego celu.

Elektronika sterująca jest zazwyczaj montowana bezpośrednio na kolumnie kierownicy. Najczęściej stosowane są silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, ale w mniejszych samochodach stosuje się również silniki prądu stałego.

Napięcie 12V ogranicza możliwości. Sieć może być obciążona do 80 A przez krótki czas. Odpowiada to mocy 1 kW. Silniki synchroniczne wykorzystują komutację elektroniczną sterowaną przez czujnik kąta obrotu wirnika.

Mechanizm zębatkowy wymaga dużej siły, co oznacza duży pobór prądu (120 A). Stosowana wysoka częstotliwość w połączeniu z bliską odległością elektroniki od silnika to duże wyzwanie w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej elektroniki. Uzwojenie silnika elektrycznego musi być bowiem zabezpieczone przed zwarciem.

Elektronika EPS

Mówiąc o instalacji, warto poświęcić kilka słów elektronice. Jak wspomniano powyżej, układ zazwyczaj jest montowany bezpośrednio na silniku elektrycznym układu wspomagania kierownicy.

Składniki:

• Sterowanie mikroprocesorowe, które chroni przed awariami i stale monitoruje system.
• Połączenie pomiędzy czujnikami a elektroniką.
• Stopień wyjściowy mocy, który steruje silnikiem elektrycznym.

Komunikacja pomiędzy poszczególnymi komponentami odbywa się za pomocą szeregowej magistrali danych.

Kategoryzacja

Wybór w praktyce zależy w dużej mierze od wielkości i zakresu cenowego samochodu. Na podstawie powyższego podejścia możemy dokonać następującej klasyfikacji:

• Kompaktowy (do segmentu C)

Ta kategoria samochodów ma stosunkowo niskie zapotrzebowanie na moc. W kolumnie kierownicy można zamontować elektromechaniczne wspomaganie kierownicy, jego czujniki, silnik elektryczny z napędem koła pasowego oraz elektronikę.

• Kategoria średnia (segment D)

Te samochody wymagają większej mocy do sterowania zębatką. Wspomaganie kierownicy jest stosowane do przekładni połączonych z zębatką. Część mechaniczna musi być również mocniejsza niż w poprzedniej kategorii.

• Najwyższa kategoria (z segmentu E)

Im większa masa samochodu, im większa jego prędkość, tym większe obciążenie kół przednich, a tym samym większa wymagana siła kierowania. Silnik elektryczny przekazuje moc bezpośrednio do przekładni kierownicy poprzez napęd śruby kulowej.