6. fejezet - Elektrohidraulikus szervokormányok

Azért, hogy az első kerekek a kormányzáskor megfelelő szöghelyzetbe kerüljenek, trapéz alakú rudazatra van szükség. Ennek részei gömbcsuklókkal kapcsolódnak egymáshoz. Ez a merev futóműveknél egyszerű kivitelű. A kormány irányító karból és a nyomtáv rúdból áll. Az egyedi kerékfelfüggesztésnél, a kerekek egymástól független elmozdulásai miatt már több tagú, bonyolultabb, több csuklóval ellátott rudazatra van szükség.

A kormánykerék elfordítását a kormánymű a rudazat segítségével alakítja át az első kerekeket elfordító erővé. az ezzel kapcsolatos elvárások a következő módon foglalhatók össze:

Ezek az úgynevezett alap kormány berendezés változatok, a vezető izomerejét használják a gépkocsi irányítására. Némelyiket azonban továbbfejlesztették olyan szervokormánnyá, melynél már elektronikát is alkalmaznak.

A szervokormányt a gépkocsi menetidejének kb.15%-ában használják kormányzásra, de ennek ellenére folyamatos energia ellátást igényel. Ez alól csak az újabb fejlesztésű elektromechanikus szervokormányok (EPS) jelentenek kivételt. Ennél a kormányberendezésnél is a vezető végzi a kormányzási munkát, amihez segédenergiát vesz igénybe. Így jelentősen nagyobb erő jön létre a kormányrudazaton. Természetesen ennél a rendszernél is kell veszteség teljesítménnyel számolni.

Az alábbi diagram szemlélteti a kormánykerék ballra, illetve jobbra forgatásakor a rásegítés alakulását el- és visszakormányzáskor. A rásegítés egy bizonyos kézi nyomaték felett kezdődik el. Amikor nincs elkormányzás a szervo-szivattyú folyamatosan keringeti a hidraulika olajat a rendszerben. Ez egyúttal folyamatosan biztosítja a légtelenített állapotot. A rendszer bármely pillanatban készen áll arra, hogy létre jöjjön a rásegítés.

Szerkezeti kialakításuk szerint lehetnek:

Általánosságban elmondható, hogy a 3,5 t össztömegig használatos gépkocsik szervo-szivattyúi 890 W - 1000 W. teljesítmény igényűek.

Amennyiben a szervo-szivattyút nem látják el belső szabályozással, célszerű egy külső szabályozó egységről gondoskodni. Ez lehetővé teszi, hogy egyenes menetben nagyobb olajmennyiség cirkuláljon a rendszerben és ne alakuljon ki jelentős nyomás. Az elkormányzáshoz már kisebb mennyiség, de lényegesen nagyobb nyomás szükséges.

A szervo kormány energia igénye, melyet a szervo-szivattyúk teljesítenek:

A szervokormány térfogatáram igénye egyrészt a gépkocsi sebességétől, másrészt az elkormányzási szöghelyzettől függ. Ez diagramban egy térfelülettel ábrázolható.

Kis sebességnél, a gépkocsival történő manőverezés megkönnyítésére a nagyobb rásegítés előnyös, mert komfortosabbá teszi a kormányzást, megkönnyíti a vezető munkáját. Nagy sebességnél viszont, például autópályán sokkal kisebb kell legyen a rásegítés. Ennek az oka az, hogy biztosítani kell a gépkocsi minél biztonságosabb, nyomtartó vezethetőségét. Meglepő lenne, ha ilyenkor is kis kormánymozdulatra, nagy erővel és jelentős szöggel következne be az első kerekek elkormányzása. Emiatt a gépkocsi instabillá válna. Ezt az ellentmondást sebességfüggő rásegítéssel oldható fel. Ennek megfelelő a „Servotronic” szervokormány, melyet 1989 –óta alkalmaznak a személygépkocsikban. Ekkoriban még a belsőégésű motorról ékszíjjal hajtott szervo-szivattyú adta az energiát a rásegítéshez. A vezérlést az elektronika és a hidraulika kombinációjával oldották meg. Ehhez a szervokormány rendszerhez új forgótolattyús vezérlést, új elektronikát, elektromágneses szelepet és a műszerfalon elhelyezett ellenőrző lámpát alkalmaztak.

A gépkocsi sebesség jelét az elektronika az elektronikus működésű sebességmérőtől kapja. Újabban az ABS elektronikától a CAN hálózaton érkező jelet használják erre a célra. A jel kiértékelése alapján működteti az elektromágneses szelepet, ami a rásegítést szabályozza. A kezdeti időben a gyújtás bekapcsolásakor világítani kezdett az ellenőrző lámpa és hibátlan rendszer esetén 5,5 km/h sebesség elérése után aludt csak ki. A szervokormány működéséhez szükséges 150 bar olajnyomást a szervo-szivattyú hozza létre és csövön keresztül a forgótolattyús vezérlő szelephez juttatja. Egyenes menetben a forgó tolattyú a hüvelyhez képest semleges helyzetben van. Az olaj szinte nyomásmentesen (0,5 – 1 bar) áramlik rajta keresztül a munkahenger mindkét felébe és onnan vissza az olaj tartályhoz.

Jobbra kormányzáskor a kormánykeréken kifejtett kézi nyomatékkal arányosan elcsavarodik a torziós rúd. Ezzel arányos lesz a forgó tolattyú elfordulása az álló hüvelyhez képest. Emiatt változnak a tolattyúnál kialakított rések és így az olajnyomás is. A munkahenger dugattyújának bal oldali terében növekszik a nyomás, (a legnagyobb érték 150 bar lehet). Ennek hatására a dugattyú elmozdul. A jobb oldali munkatérből eközben az olaj a tartályba visszaáramlik.

Ballra kormányzáskor a folyamat hasonló módon zajlik le, de ekkor a munkahenger másik oldali terében fog kialakulni az olajnyomás, mely a kormánymű fogaslécére az előzővel ellentétes irányú erőt fejt ki.

A sebességfüggő rásegítéshez az elektromos sebesség jelet a szervokormány elektronikája kiértékeli és ennek megfelelő kitöltési tényezővel működteti az elektromágneses szelepet. Ezzel valósul meg a diagram szerinti áram szabályozás. Az elektromágnes a kúpos szelepet az árammal arányosan mozdítja el különböző helyzetekbe. Ezzel arányosan változni fog a fojtás, és így változni fog a nyomás, mely a rásegítést szabályozó tolattyúra hat és akadályozza annak elfordulását.

Napjainkban valamennyi korszerű szervokormány változat megvalósítja a sebességfüggő rásegítést.

A rendszer elemei:

A korszerű, elektronikával vezérelt villanymotoros hajtású szervo-szivattyúknál megvalósítják az úgynevezett „stand by” üzemmódot. Ez a megoldás az energia megtakarítás és a káros anyag kibocsátás szempontjából is fontos. Amikor az elektronika azt érzékeli, hogy nem mozdul a kormánykerék és a gépkocsi álló helyzetben van a villanymotor az üzemi értéknél kisebb fordulatszámon fog működni. Ez az állapot addig tart, amíg a fenti üzemi jellemzők valamelyikében nem következik be változás. Az üzemállapot megváltozásának pillanatában bekövetkezik a szivattyú újraindítása normál üzemi fordulatszámon. Az ekkor megvalósuló térfogatáramot nem csak a motor fordulatszáma, hanem a szivattyú szállítási teljesítménye is befolyásolja.

Ez az amerikai nagyvállalat az első hidraulikus szervokormányát 1998-ban hozta piacra. Nagy sorozatú beépítése az Opel Astra-ban volt. Az elektronika 12 V –os villanymotort működtet, mely a szivattyút hajtja, a szükségletnek megfelelően be-, kikapcsolja. Tüzelőanyag megtakarítás és CO₂ emisszió csökkentés érhető el vele. Az elektromechanikus változattal további energia megtakarítás és emisszió csökkentés is elérhető.

Electrically Powered Hydraulic Steering rendszert építenek be például az Audi A2 típusú gépkocsiba, mely két főbb egységből áll:

A szervo-szivattyú egység részei:

Az egység elhelyezés a gépkocsiba olyan, hogy az olajtartály feltöltése, illetve utántöltés előtt a bal oldali fényszórót ki kell szerelni. Azért igyekeznek az utastértől minél messzebb elhelyezni a szivattyút, hogy a működési zaj távol tartható legyen. A tartályról a csőcsatlakozókat nem szabad leszerelni.

A szivattyú egységre szerelt szervokormány elektronika folyamatosan kiértékeli a bemeneti adatokat, melyek a következők:

A fogaskerék szivattyú hajtása a menetsebességtől és kormányzási helyzettől függ. A gépkocsi többi elektronikus rendszerével a kommunikáció és diagnosztika a hajtáslánc CAN hálózatán keresztül történik. A hibajelzés a műszerfalon elhelyezett ellenőrző lámpa segítségével történik. A kormánykerék elfordításának szögsebességétől és gépkocsi sebességétől függ a rásegítés. A fogaskerék szivattyú bekapcsolt gyújtásnál és járó motornál működik. Az elektronika szabályozza a villanymotor fordulatszámát és ezzel a szállított olaj térfogatáramát. Ismételt bekapcsolás ellen védett (például hiba és ütközés esetén). A szivattyú kikapcsol a gyújtás kikapcsolásakor. Túlmelegedés esetén csak 15 perc elteltével indul újra.

A szervokormány a hagyományos kivitelnek annyiban felel meg, hogy a torziós rúd egyik végéhez a forgó vezérlő tolattyú, a másikhoz a fogaskerék és a vezérlő hüvely csatlakozik.

A hidraulikus szervokormányoknál úgy a haszonjárműveknél, mint a személyautóknál a rásegítés szabályozására vezérlő tolattyút alkalmaznak. Ez a kormánykerék tengelyéhez csatlakozik.

A vezérlő tolattyú helyzete egyenes menetben:

Egyenes menetben a szervokormány torziós rúdjára nem hat nyomaték. Ezért a forgó tolattyú és a vezérlő hüvely is semleges, középhelyzetben van. Egyik csatornánál sem alakul ki fojtás. A szögelfordulás érzékelő nem ad elmozdulási jelet. Az olaj szinte nyomásmentesen átáramlik a vezérlő tolattyún és vissza jut az olaj tartályba. Nagy térfogatáram alakulhat ki, de szinte nyomásmentes a rendszer.

Ba lra kanyarodáskor a vezérlő tolattyú:

A torziós rúd elcsavarodása miatt egymáshoz képest elfordul a forgó tolattyút és a vezérlő hüvely. Kialakul egy bizonyos fojtás, ami nyomásnövekedéssel jár. A vezérlő hornyok a jobb oldali munkahengert összekötik a visszafolyó ággal. Az olaj nyomással áramlik a másik oldali munkahengerbe és a szervokormány ballra kormányoz.

Ezzel egy időben a tolattyú zárja a bal oldali munkahenger nyomó ágát és nyitja a visszafolyót. Így a jobb oldali munkahenger kinyomja az olajat a bal oldaliból.

Ha kormányzási folyamat befejeződik, a torziós rúd visszaállítja a tolattyút semleges helyzetbe és ismét lecsökken az olajnyomás.

A kormánykerék tengelyére szerelik fel az érzékelő forgó részét. Ez az állórészbe szerelt 9 db kondenzátor fegyverzete felett fordul el elkormányzáskor. Emiatt bizonyos szegmenseknél változni fog a kapacitás. Ebből számítja ki az érzékelő elektronikája a kormánykerék pillanatnyi szöghelyzetét és az elfordítás sebességét.