7. fejezet - Elektromechanikus szervokormány (EPS)

Ezek közül az ellentétes elvárások a határozott egyenes meneti helyzet és a kis elkormányzási nyomaték parkoláskor. Ez úgy oldható fel, ha a rásegítést sebességfüggővé teszik, ami a hidraulikus szervokormányoknál jelentősen megnövelte a költségeket.

A jelenleg gyártásban lévő elektromechanikus szervokormányok általában tizenötszörösére növelik a kézi erőt.

A hagyományos hidraulikus szervokormányok átlagosan 1 kW teljesítményt vesznek fel, mert a szivattyút akkor is hajtani kell, amikor nincs rásegítés. Ugyanakkor csupán 10 W teljesítményt adnak le a kormánygép fogaslécén.

A legnagyobb előnye az, hogy az EPS (Electronic Power Steering) az elektrohidraulikus szervokormányhoz viszonyítva 0,4 l/100 km hajtóanyag megtakarítást tesz lehetővé.

Az elektromechanikus szervokormány együttműködik az ESP rendszerrel és a fék rendszerrel is. A vezető a kormánykerékkel ennél csak egy kanyarodási igényt állít be. Ha például eltérő tapadási tényezőjű úton történik a fékezés és a gépkocsi félrehúz, ezt felismeri az ESP rendszer és utasítást ad az automatikus kormánykorrekcióra. Nem válik szükségessé például a fékező nyomás csökkentés az egyik, vagy másik keréknél, ami növelné a fékutat. A rendszerek integrációjának egyre nagyobb a jelentősége.

A kormányzási nyomaték és az elkormányzási szög egy bizonyos mértékig egymástól függetlenül befolyásolható.

Szigorú követelményeket kell teljesítsenek, mert az emberi szervezethez hasonlítva, ez a szervokormány „szíve”.

A fontosabb elvárások:

Amiket a szervokormányokra szerelnek, nem sorozatban gyártott közönséges villanymotorok, hanem az adott célnak megfelelően speciálisan fejlesztik ki. Többnyire közvetlenül erre szerelik a vezérlő elektronikát is. Leggyakrabbal állandó mágneses szinkron motorokat alkalmaznak, de a kisebb városi autóknál egyenáramú motor is használnak. A 12 V-os hálózat korlátozza a lehetőségeket. Rövid időre max. 80 A-el terhelhető. Ez 1 kW teljesítménynek felel meg. A szinkron motoroknál elektronikus kommutációt alkalmaznak, melyet a forgórész szöghelyzet érzékelő vezérel. A fogaslécnél a nagy erőre van szükség, ami nagy áramfelvételt (120 A) jelent. Az alkalmazott nagy frekvenciával együtt és a motor közeli elektronika elhelyezés nagy követelményeket támaszt az elektromágneses összeférhetőség vonatkozásában az elektronikával szemben. A villanymotor tekercselése rövidzárlattal szemben védett kell legyen.

Ez az egység nevezhető a szervokormány rendszer „szeméneke”.

A nyomatékérzékelő meghibásodása nem okozhatja a kormányzás megszűnését. Ennek egyik fontos eleme a torziós tengely, melynek szokásos merevsége 2,5 Nm/˚. Ennek ismeretében lehet pontosan meghatározni a szögelfordulás érzékelő jele alapján a nyomatékot. Az a megbízhatóbb működésű változat, melynél érintésmentes érzékelőt alkalmaznak. A biztonság miatt általában két komplementer jeladót építenek be. Ilyen módszerrel lehetséges megvalósítani a folyamatos elfogadhatósági (plausibilitás) vizsgálatot. A nyomatékon kívül pontos szög elfordítási helyzet értéket is ad.

Általában közvetlenül a szervokormány villanymotorjára szerelik.

Részei:

A kommunikáció az egyes részegységek között soros adatbuszon keresztül történik.

A különböző kategóriájú gépkocsik más konstrukciójú villanymotoros szervokormányt igényelnek.

Az elektromechanikus szervokormány egy kompakt egységet alkot. Ezért nem szükséges a kocsiszekrényben szerteágazó vezetékhálózat kiépíteni. Sebességfüggő és a menetviszonyoknak megfelelő rásegítést biztosít a villanymotor segítségével különböző mechanikus áttételek segítségével.

Alkalmazási példa:

A VW Lupo 3l TDI változata. A rásegítő hatás a kormánykerék tengelyére szerelt kardántengely előtt villanymotor és mechanikus áttételek segítségével valósul meg. Tömege: 11,3 kg. Teljesítmény felvétele: 10 – 25 W.

Tüzelőanyag többletfogyasztás: 0,01 l/100 km

Torziós tengely

Az EPS c elektromechanikus szervokormány fontos központi egysége a torziós tengely. A köztes orsót mechanikusan köti össze a csigahajtással. A kormánykerék elfordításának hatására rugalmassági jellemzőjének megfelelően elfordul. Ennek alapján elektromos érzékelő segítségével állapítható meg a kormányozás kezdete és a kézzel a kormánykeréken kifejtett nyomaték.

A csigahajtás

A 22:1 áttételű csigahajtást alumínium házba szerelik. Erre rögzítik fel a villanymotort is. A motor forgatja a fémből készült csigaorsót. A nagy átmérőjű csigakerék műanyagból készül, így mérséklődik a zaj hatás. A csigahajtás növeli a kellő mértékig a villanymotorral kifejtett nyomatékot.

Az EPS c érzékelői

Két érzékelőt szerelnek egy közös házba. Ezek a kormánykerék helyzetével és nyomatékkal arányos elektromos jelet küldenek az elektronikának. A csigakerék tengelyéhez csatlakoznak. Ehhez az érzékelőhöz kapcsolódik a torziós rúd is. Hat pólusú elektromos csatlakozó létesít kapcsolatot az elektronika felé.

A kormánykerék helyzet érzékelője

Ez az egység három érintkezővel csatlakozik az elektronikához. Ha meghibásodik, az aktív visszaállítás kikapcsol és hibajelzést ad.

A kézi kormányzási nyomaték érzékelője

A torziós rúd elcsavarodási szögét érzékeli. Az elektronika ez alapján határozza meg a gépkocsivezető által a kormánykeréken kifejtett nyomatékot. Ha nyomaték nagyobb 0,01 Nm-nél elkezdődik a rásegítő működése. Ez az érzékelő három érintkezővel csatlakozik az elektronikához. Ha meghibásodik, a szervokormány kikapcsol és hibajelzést ad.

Mindkét érzékelő potenciométer. Az alsó a szöghelyzetet, a felső pedig a nyomatékot érzékeli. A belső gyűrű a csigakerékhez kapcsolódik a körmös gyűrűvel és a házhoz képest elfordulhat. Ez alapján ismertté válik az elkormányzási szöghelyzet. A torziós rúd elfordulásával lesz arányos a másik potenciométer állása. Mindkét potenciométerhez két pár érintkező tartozik. A potenciométerek vezetőpályáiról a mozgó érintkezőn keresztül a jelek az elektronikához érkeznek.

Az elektronika

A csigahajtás házára rögzített tartóra szerelik az elektronikát. Öt egymástól eltérő csatlakozóval látták el, hogy ne legyenek felcserélhetők. Az érzékelők jeleit és a CAN hálózat üzeneteit felhasználva kiszámítja, hogy mekkora rásegítésre van szükség. Ez mindig sebességfüggő. Az elektronika meghibásodásakor világít az ellenőrzőlámpa.

Ha az elektromechanikus szervokormány meghibásodik, azt felismeri az öndiagnosztikai rendszere és a műszerfalon elhelyezett ellenőrző lámpa világít.

Az egyenáramú motor

Maximális teljesítményfelvétele 720 W. Nyomatéka 2 Nm. Áramellátását és vezérlését a szervokormány elektronika végzi. A csigahajtás házához gumi elemekkel csatlakozik, melyhez csavarokkal rögzítik. Tengelye a csiga orsóhoz gumi elemmel csatlakozik. Ezzel a rezgés csillapítás megvalósul.

A szervokormány működése

A kormánykerék tengelye egy felső és egy alsó részből áll. A kettő között kardáncsukló létesít kapcsolatot. A felső részre szerelik fel az érzékelőket. Itt található az alsó szöghelyzet-, és a felső nyomaték adó. Amikor a vezető elfordítja a kormánykereket elcsavarodik a torziós rúd. A két jeladó információt ad az elektronikának a szöghelyzetről és a nyomatékról. Ezek alapján meghatározza a elektronika a szükséges rásegítő nyomatékot és működteti a villanymotort. A kerekeket elkormányzó hatásos nyomaték a kézi és a rásegítő nyomaték összege. Ha a vezető még nagyobb nyomatékot fejt ki a kormánykeréken, ennek hatására a villanymotor növeli a rásegítő nyomatékot.

Ha kisebb a vezető által kifejtett nyomaték, kisebb lesz a torziós rúd elcsavarodása és a rásegítő nyomaték is, mert jeladó kisebb jelet közvetít az elektronikának, amely csökkenti a rásegítő nyomatékot. A futómű geometriának megfelelően a kerekek visszatérnek egyenes meneti helyzetbe.

Ha a kézi és a rásegítő nyomaték nagyobb, mint a visszakormányzó nyomaték, a rásegítő egyenes állásba fordítja vissza a kerekeket. Ha a vezető a kanyarban elengedi a kormánykereket, megszűnik a torziós rúd elcsavarodása, az elektronika lekapcsolja a villanymotort. Ezzel megszűnik a rásegítő hatás. Ha a gépkocsi nem egyenesen halad, a szöghelyzet adó jele alapján, bekapcsol a villanymotort úgy, hogy az egyenes meneti helyzetbe kerüljenek a kormányozott kerekek.

Diagnosztika

A gépkocsi típusának megfelelő, például a Wolkswagen-nél és az Audinál a VAS 5051 diagnosztikai számítógép használatakor a „44 lenkhilfe” címszó alatt található a vizsgálati program. (Újabban már magyar nyelvű programmal működő változatok is vannak.)

A következő lehetőségeket közül lehet választani:

Ilyen elektromechanikus szervokormánnyal találkozunk például a Toyota Prius-ban. Ezt gyártója Electric Motor-Assist Power Steering-nek nevezi és a EMPS rövidítést is használja.

EMPS szervokormánynál az egyenáramú motort a szervokormány elektronikája működteti. Az érzékelők jelei alapján határozza meg a szükséges rásegítést és az irányát.

A kormánykeréken kifejtett nyomaték érzékeléséhez potenciométert alkalmaznak. Ennek elmozdulását a kormánykerék tengelye és a csigahajtás közé szerelt torziós rúd határozza meg. Elfordulási szögével lesz arányos a mért nyomaték és az ellenállás változás. Ennek megfelelő polaritással fogja az elektronika az egyenáramú motorra rákapcsolni a gerjesztő áramot és szabályozza annak nagyságát.

Ilyen villanymotoros szervokormányt szereltek a VW Touran –ba, a Kompakt-Van kategóriában elsőként. Az Audi A3 elektromechanikus szervokormány Electrical Power Steering-nél (EPS) a fejlesztés célja a komfortosabb, könnyebben kormányozható, robosztusabb, kevésbé összetett, könnyebben beszerelhető, energia takarékosabb szervokormány megvalósítása volt. A típusváltoztatás oka az volt, hogy a felmerült igényeket az elektrohidraulikus változattal már nem lehetett kielégíteni. Ennél a változatnál a villanymotor csigahajtással egy fogaskeréken keresztül adja a rásegítő erőt a fogaslécre. Annak másik végéhez csatlakozik a másik fogaskerékkel a kormánykerék tengelye. Ez a szerkezeti kialakítás így dual pinion változat. Az előnye ennek a konstrukciónak az, hogy a villanymotor meghibásodása esetén a kormánykerék tengelyére szerelt fogaskerékkel nagyobb erővel ugyan, de kormányozható marad a gépkocsi. A rásegítő villanymotor nyomatékát egy csigahajtás növeli meg és ezen keresztül adja át a rásegítő erőt a fogaslécre.

Az alkalmazott szénkefe mentes aszinkron motor robosztus kivitelű és különös előnye az, hogy a különböző szennyeződésekkel szemben jól ellenálló. A leadott nyomaték egyenletes, nincsenek nyomatékhullámzások és működése zajmentes. Közvetlenül a villanymotorra szerelik fel a mikro-hibrid technológiával készülő elektronikát. Ez a kompakt kivitel több tekintetből is előnyös:

A szervokormány részei:

A kormánymű házba szerelt fogasléc és a hozzá kapcsolódó a kormánykerék tengelyhez kapcsolódó fogaskerék elé a torziós rúdhoz kapcsolódó két csatornás magnetorezisztív elven működő nyomaték érzékelőt szerelnek. Ezt a kormánygép felső részénél helyezik el. A hidraulikus szervokormányokéhoz hasonló merevségű torziós rudat alkalmaznak ennél is. A szénkefe nélküli 12 V-os aszinkron motor fordulatszámát is magnetorezisztív elven működő fordulatszám érzékelő jelzi vissza az elektronikának. Erre azért van szükség, hogy a rásegítő nyomaték az igényekhez illeszthető legyen. Ehhez még a gépkocsi CAN hálózatán keresztül további adatok is érkeznek, mint például a motor fordulatszáma, a gépkocsi sebessége, az elkormányzási szöghelyzet. A villanymotor csigahajtáson keresztül egy fogaskerékkel kapcsolódik a fogasléchez. Az elektronikát a szokásos módon elektromos csatlakozóval látják el. Nyomtáv rudakat és a hozzájuk csatlakozó csuklókat védőharmonikák burkolják. Analóg működésű a kormánykerék szöghelyzet érzékelő.

Működése

A fogaslécen létrejövő maximális erő 9000 N. A rásegítő erő a kormányon kifejtett nyomatéktól, az elkormányzási helyzettől, annak sebességétől, továbbá a gépkocsi sebességétől függ. A működéshez szükséges adatok a CAN hálózaton keresztül érkeznek.

Olyan működésmódok valósulhatnak meg, amelyek eddig a hidraulikus szervokormányoknál nem voltak. Ez egy természetes kormányzási érzetet kelt a vezetőben. Ilyenek például az aktív egyenes-meneti visszaállítás.

Az elektronikába implementált egyenes-meneti korrekció a vezető aktív korrigálása nélkül oldalszélnél és kereszt irányban lejtős úton is megtartja a menetirányt. Automatikusan felismeri és „megtanulja” a kormányzási középhelyzetet és ezt veszi figyelembe a visszaállításnál. Ezzel tehermentesíti a vezetőt.

Ez az algoritmus két részből tevődik össze. Az egyik a rövidtávú, a másik a hosszú távú. Ezek aktivitása az elkormányzási szögtől, a kormány elfordításának és a gépkocsi haladási sebességétől függ. A hosszú távú figyeli az egyenes menettől való eltérést és kiegyenlíti azt.

Növelték a sebességfüggő rásegítési teljesítményt, melyet kiegészít a teljes frekvencia tartományban működő zavaró lengések csillapítása. A teljes mechanikus áttétel: i = 16,2. Ez a kormánykerék szöghelyzet és a kerék szöghelyzet viszonyaként értelmezhető. A sebességfüggő rásegítés parkolásnál nagyobb támogatást biztosít a vezetőnek.

Különösen nagy sebességű autózásnál előnyös a stabil egyenes meneti helyzetben tartás, amely hatékonyan csökkenti a gépkocsivezető kifáradását.

Külön programrész határozza meg az egyenes meneti helyzetbe történő visszatérés dinamikáját. Ez a gépkocsi sebességétől, a korábban megvalósult kormányzási nyomatéktól, és a kormánykerék szöghelyzetétől függ.

Az alábbi metszetről készült képen látható, hogy a villanymotor csigahajtás segítségével adja a rásegítő nyomatékot a szervokormány fogaslécére a fogaskerék segítségével.

Ennek a konstrukciónak az előnye az, hogy a gyártás során a próbapadon már ellenőrzött szervokormány az első futómű fő tartójára felszerelhető. A szerelősor végén aktiválják az elektronika programját. A típusváltozatnak megfelelő egyedi programokkal működhetnek a különböző gépkocsi típusokba szerelt egyedek. Ennek a módszernek köszönhetően feleslegessé válik a különböző típusú szervokormányok raktározása és a javítói hálózatban alkatrészként tartása. A beszerelés egyszerűbb, mert nem szükséges szervo-szivattyú egység, csövek és hőcserélő. Az elektronika öndiagnosztikai egysége a tárolt hibakódok révén megkönnyíti a javítást.

Az EPS dp Biztonsági koncepciója

A lehető legszélesebb körű működési lehetőségre törekedtek a biztonsági rendszer kialakításánál. Például amikor a gépkocsi sebességre, vagy a kormányzási szög jele hiányzik valamilyen meghibásodás miatt a szükségműködési program lép működésbe. Erre a gépkocsi vezetőt egy ellenőrző lámpa világítása figyelmezteti, de a gépkocsi biztonságos kormányozhatósága megmarad. A kormányzási nyomaték jele redundás módon van megvalósítva. Ha mindkettő meghibásodik, egy bizonyos átmenettel rásegítés mentes kormányzás fog megvalósulni. Valamely érzékelő meghibásodása esetén sem fog hirtelen bekövetkezni a kormányozhatóság megváltozása. Ugyanez vonatkozik a villanymotor forgás érzékelőjének meghibásodására is.

Hasonló gondot fordítottak a hálózati feszültség kimaradására is. Az elektromos rendszerek alkalmazása egyre szélesebb körűvé válik a gépjárművekben, ezért egyre nagyobb a hálózat terhelése. A nagy áramfelvételű fogyasztóknak megfelelően reagálni kell például a lemerült akkumulátorra, hogy elkerülhető legyen a teljes energiaellátás összeomlása. Kidolgoztak egy hálózatot figyelő algoritmust. Ez lehetővé teszi, hogy a pillanatnyi hálózati feszültséghez igazodó maximális rásegítés valósuljon meg. Csökkenő feszültségnél kisebb lesz a rásegítés, egy csökkentett üzemmód lép életbe.

Ha kábelszakadás következik be, vagy leesik a kábelsaru és az akkumulátor már nem csatlakozik a hálózathoz, az elektromos hálózatot felügyelő elektronika figyelmeztető jelzést küld a villanymotoros szervokormány elektronikájának, ekkor az korlátozni fogja az áramfelvételt, hogy a generátor túlterhelése csökkenjen.

Az alábbi ábrán egy „rénszarvas teszt” során végrehajtott mérések eredményét ábrázolták diagramban. A csatlakoztatott és a lekötött akkumulátorral végrehajtott próbák eredményei hasonlíthatók össze. Az utóbbi esetben a villanymotoros szervokormány teljes energia igényét a generátor hozta létre. A mérésekből megállapítható, hogy a vizsgált esetekben a gépkocsi nem csak biztonságosan, hanem dacára a megsérült hálózatnak, komfortosan kormányozható maradt. A rendszer működésének folyamatos figyelésén kívül a megfelelő intézkedések meghozatalával a kormányzás fontosságához méltón mindig működőképes marad.

Ennél a változatnál a villanymotor nem csigahajtással, hanem fogazott szíj áttétellel és egy golyósor visszavezetéses csavarorsó, csavaranya kapcsolattal adja a rásegítő erőt a fogaslécre.

Az elektronika által vezérelt villanymotor nyomatékát először egy fogazott szíj áttétel növeli. Ezután következik golyósoros csavarhajtás, mely a forgó mozgást jó hatásfokkal egyenes vonalúvá alakítja át a kormánymű fogasléc mozgásának megfelelően.

Az alábbi fényképen látható, hogy az elektromechanikus szervokormányt működtető elektronika a villanymotorral közös szerelési egységet alkot. Ez folyamatosan felügyeli a rendszer működését. Meghibásodás esetén figyelmezteti a gépkocsivezetőt a műszerfalon elhelyezett ellenőrző lámpával. A tárolt hibakódokat a gépkocsi típusának megfelelő diagnosztikai műszerrel lehet kiolvasni.

Az elektromechanikus szervokormány energiamérlege:

Az alábbi diagram szemlélteti, hogy az elektromechanikus szervokormánynál az egyes részegységeknek mekkora az energia igény. Ebből kitűnik, hogy a mechanikus egységek viszonylag kis veszteséggel működnek.

Ha a rásegítést adó villanymotor három fázisú váltakozó áramú, akkor egy áram átalakítóra is szükség van, amely hat impulzusos híd kapcsolásos egység. A felvett egyenáramból 3 fázisú váltakozó áramot állít elő a villanymotor működtetéséhez.

Ez a típusváltozat a legújabb fejlesztések eredménye. Ennél is a rásegítést adó villanymotor a fogasléccel párhuzamos beépítésű. Érdekessége az, hogy a villanymotor forgórészének belsejében van a fogasléc elhelyezve. A mechanikus áttételt a jó mechanikai hatásfokú visszavezetett golyósoros csavarhajtás adja. A csavaranyát közvetlenül a villanymotor forgórészére szerelik.

A nyomaték érzékelés ennél a típusnál is a torziós rúd elfordulásának mérésére vezethető vissza, De ezt a változatot már kopásmentes működésű Hall elemes érzékelővel látták el, mely hosszabb élettartamú és nagyobb működés biztonságot eredményez.

A működés egy másik fontos érzékelője a villanymotor forgórészének helyzetével arányos jelet ad az elektronikának.

Ez az elkormányzás mértékének ellenőrzésére és az egyenes meneti visszaállítás vezérléséhez is használható. A forgórészhez egy speciális alakú gyűrűt az állórészbe pedig az ezzel együttműködő érzékelő tekercseket szerelik be.