ELEKTRYCZNA KIEROWNICA

Jednym z elementów podnoszących komfort jazdy, a co za tym idzie i standard wyposażenia samochodu jest wspomaganie układu kierowniczego. W autobusach do wspomagania kierownicy stosowane są pneumatyczne układy zasilane z dużej, pokładowej sprężarki. Jak jednak rozwiązać konstrukcję wspomagania w małym samochodzie osobowym, gdzie liczy się każdy dodatkowy kilogram i ograniczone jest miejsce przeznaczone na urządzenia sterujące?

Wiadomo, że podczas postoju kierowca musi przyłożyć o wiele większą siłę do koła kierownicy niż podczas jazdy. W pierwszym wypadku pokonuje on tarcie spoczynkowe opon o asfalt a w drugim koła się już obracają.
Z fizyki wiadomo, że tarcie spoczynkowe jest wielokrotnie większe od ruchowego; wystarczy przypomnieć sobie z jaką siłą trzeba ciągnąć sanki by je ruszyć z miejsca a ile wysiłku trzeba włożyć by utrzymać je w ruchu.
Zjawisko to daje się szczególnie we znaki użytkownikom samochodów ciężkich, tj. ciężarowych,
dostawczych i dużych osobowych.

Konstruktorzy początkowo obchodzili ten problem stosując duże przełożenia układu kierowniczego
i minimalizując tarcie wewnętrzne w przekładniach kierowniczych (przekładnie ślimakowe z rolką,
śrubowokulowe itp.).(...)
Producenci zaczęli więc stosować rozwiązania pośrednie, tzn. zmniejszali przełożenie przekładni kierowniczej - mniejsza liczba obrotów kierownicą potrzebna do całkowitego skręcenia kół - przez co wzrastała czułość układu i zmniejszała się jego skłonność do powstawania luzów. Wzrost siły potrzebnej do obrócenia koła kierowniczego kompensował układ wspomagania. Pompa hydrauliczna otrzymywała napęd od wału korbowego a każdy ruch kierownicą powodował otwarcie się jednego z jej zaworów i przetłaczanie cieczy hydraulicznej pod ciśnieniem do zbiornika wyrównawczego. Wielkość ciśnienia była proporcjonalna do siły wspomagającej kierowcę podczas manewrowania kołem kierownicy.
Powszechne wprowadzenie przekładni zębatkowych, tzw. maglownic, w samochodach osobowych pociągnęło za sobą upowszechnienie się wspomagania kierownicy. Przekładnie te zapewniały bowiem dużą precyzję prowadzenia kół, odznaczały się wysoką trwałością i brakiem potrzeby regulacji. Niestety miały małe przełożenie co wymagało znacznej siły od kierowcy. Obecnie praktycznie wszystkie samochody, od rodzinnych w wzwyż (np. Renault Megane, VW Golf) mają wspomaganie układu kierowniczego montowane seryjnie lub na życzenie klienta.
W autach najmniejszych problem siły potrzebnej do skręcenia kół jest odpowiednio mniejszy - pojazdy te są po prostu lekkie. Ostra konkurencja wśród producentów samochodów powoduje jednak ciągłe udoskonalanie konstrukcji w kierunku wzrostu bezpieczeństwa i komfortu jazdy. To właśnie pogoń za sprostaniem wymaganiom klientów sprowokowała, na początku lat 80-tych, amerykańską firmę TRW do prac nad elektrycznym wspomaganiem układu kierowniczego.

EPAS (Electric Power Assisted Steering) ma wiele zalet w stosunku do tradycyjnego wspomagania hydraulicznego. Po pierwsze układ elektryczny pracuje tylko wtedy, gdy jest to konieczne a hydraulika "kradnie" energię cały czas. W efekcie zastosowanie tradycyjnego wspomagania w samochodzie klasy średniej z silnikiem 1,3 dm3 okupione jest zużyciem paliwa podwyższonym o ok. 0,3 dm3/100 km. Dodatkowo układ hydrauliczny ma skomplikowana budowę (pompa, przewody ciśnieniowe, zawory przelewowe, siłowniki, zbiornik wyrównawczy itp), jest drogi i ciężki a ponadto zajmuje dużo miejsca w coraz bardziej zapchanych komorach silnikowych. Układ elektryczny ma natomiast ok. 2 razy mniejszą masę (ok. 7 kg) od hydraulicznego a jego główny element, silnik, można zabudować poza komorą silnikową, na wale kierowniczym, wygospodarowując cenną przestrzeń.
Nie bez znaczenia jest także progresywność siły wspomagającej, czyli używając normalnego języka zmienność siły wspomagającej w zależności od prędkości jazdy i kąta skręcenia kół. W hydraulicznym wspomaganiu powszechnie stosuje się proporcjonalną wielkość siły, progresywność jest wprawdzie również dostępna ale wymaga od klienta znacznej dopłaty do ceny samochodu. Układ elektryczny natomiast z istoty swojego działania oferuje taką siłę, jaką ma zapisaną w pamięci komputera. Największą wartość wspomaganie osiąga na parkingu, podczas manewrowania a najmniejszą podczas bardzo szybkiej jazdy po autostradzie, gdzie większa siła potrzebna do skręcenia kół daje kierowcy lepsze wyczucie prowadzenia samochodu. Warto również wspomnieć, że elektryczny układ wspomagania kierownicy potrafi dokonywać samodiagnozy i informować kierowcę o ewentualnych uszkodzeniach. (...)

Elektryczne wspomaganie układu kierowniczego składa się z trzech zespołów. Pierwszy to silnik elektryczny połączony przez elektryczne sprzęgło i przekładnię redukcyjną z wałem kierownicy. Zespół drugi to skomplikowany czujnik mechaniczo-elektryczny, określający kąt skrętu kierownicy i siłę, jaką przykłada do niej kierowca. Czujnik siły to drążek skrętny, którego odkształcenie jest zależne od siły działającej na koło kierownicy. Odkształcenie drążka zamieniane jest na wielkości elektryczne poprzez system elementów dyskretnych o zmiennej rezystancji. Trzecim elementem jest komputer przetwarzający dane z czujników siły, prędkości jazdy i obciążenia silnika, konieczne do sterowania całym układem.
Działanie elektrycznego wspomagania układu kierowniczego Twingo polega na włączeniu mechanizmu silnika elektrycznego po wykryciu przez komputer wychylenia kierownicy z położenia neutralnego (jazda na wprost). Silnik poprzez przekładnię "pomaga" obracać wał kierownicy, zmniejszając wyraźnie wysiłek kierowcy.
Przy małych prędkościach, do 35 km/h, każde wychylenie kierownicy powoduje zadziałanie silnika wspomagającego z pełną mocą. Powyżej 35 km/h efekt wspomagania zależy od dwóch parametrów: zmierzonej siły na kole kierowniczym i "głębokości"skrętu. Im większe są oba parametry tym działanie układu jest bardziej efektywne. Komputer sterujący odcina działanie systemu wspomagania, w chwili gdy prędkość jazdy przekracza 65 km/h. Przyjęte w Twingo zakresy działania elektrycznego wspomagania układu kierowniczego umożliwiają bardzo łatwe manewrowanie autem na parkingu i znacznie poprawiają prowadzenie w warunkach ruchu miejskiego. Wyłączenie układu powyżej 65 km/h ułatwia kontrolę stabilności kierunku jazdy (dłuższy czas reakcji kół na minimalne ruchy kierownicą).
Wydaje się, że już w początkach następnego wieku elektryczne wspomaganie układu kierowniczego nie tylko zadomowi się na dobre w samochodowych maluchach ale także wyprze hydrauliczne wspomaganie z pojazdów większych. Do elektryczności należy zresztą przyszłość: obecnie trwają intensywne prace nie tylko nad napędem elektrycznym ale i nad zastąpieniem hydraulicznego układu hamulcowego układem elektrycznym!

Wspomaganie układu kierowniczego jest obecnie wyposażeniem standardowym pojazdów nawet w klasie kompaktowej. Niestety, dotychczas szeroko rozpowszechnione hydrauliczne układy wspomagania powoli padają ofiarą rewolucji elektronicznej. Pierwszy krok ku ăDrive by wireÓ? Tak, ponieważ elektronika elektrycznego wspomagania jest tak zaprojektowana, że rozpoznaje ruchy układu kierowniczego, prawidłowo interpretuje zamiary kierowcy i stosownie do ruchowo-dynamicznego stanu pojazdu wspomaga kierowcę w pracy za pomocą silnika elektrycznego. Oczywiście mechaniczne połączenie między kołem kierownicy i kołami jest tutaj jeszcze zachowane. Drugim krokiem na drodze do całkowicie elektrycznego układu kierowniczego ma być skasowanie tego połączenia. 
Będzie to możliwe dopiero po zmianie obecnie obowiązujących przepisów i po osiągnięciu przez elektronikę takiej samej niezawodności, jaką dzisiaj wykazuje mechanika. Artykuł zawiera informacje o tym, co obecnie montuje się w pojazdach produkowanych seryjnie. Na przykładzie elektrycznego wspomagania układu kierowniczego ăDual-DriveÓ montowanego w nowym Fiacie Punto zostanie omówiona budowa i cechy szczególne tego systemu oraz wszystko, co specjalista warsztatowy powinien wiedzieć o konserwacji i naprawach tego układu.
Elektryczne wspomaganie układu kierowniczego ma wiele zalet. Mniej podzespołów, mniejsza hałaśliwość, brak potrzeby konserwacji i możliwość integracji z elektronicznymi systemami stabilizacji jazdy, to zalety najważniejsze. Za jego stosowaniem przemawia również łatwość realizacji takich działań jak: aktywny powrót kół kierowanych w położenie do jazdy na wprost, tłumienie hałasów, wspomaganie zależne od prędkości, czy możliwość wstępnego wyboru rodzaju wspomagania (ăCityÓ albo ăNormalÓ). Układy te zużywają mniej energii niż układy hydrauliczne i pracują niezależnie od prędkości obrotowej silnika. Podczas gdy pompa hydraulicznego układu wspomagania musi pracować w każdym stanie pracy, elektryczne układy wspomagania pobierają energię tylko w stanie aktywnym. Dzięki temu, przez ich zastosowanie zyskuje się na ciężarze i zmniejsza zużycie paliwa. Po zastosowaniu elektrycznego wspomagania w Fiacie Punto zużycie paliwa zmniejszyło się o 3%. Jest to akurat tyle samo, ile zyskuje się w wyniku zmniejszenia ciężaru pojazdu o 50 kg. Elektryczne układy wspomagania są korzystne również dla warsztatów. Podczas prac przy silniku albo przekładni kierowniczej nie ma np. potrzeby spuszczania oleju hydraulicznego, co często jest powodem różnych zanieczyszczeń. Również wysokociśnieniowe przewody hydrauliczne nie przeszkadzają już podczas prac w komorze silnika, a reklamacje z powodu nieszczelności w układzie wspomagania należą też do przeszłości.
Wersje
W firmie ZF Lenksysteme, wspólnym przedsiębiorstwie Boscha i ZF opracowano trzy wersje elektrycznych układów wspomagania, które nadają się do zastosowania we wszystkich klasach pojazdów. Dla pojazdów klasy kompaktowej, gdzie w układach kierowniczych występują niewielkie siły kierowania, optymalne okazało się przyłączenie zespołu wspomagania do wału kierownicy (rys. 1). W pojazdach klasy średniej najkorzystniej jest, gdy wspomaganie działa bezpośrednio na zębnik przekładni kierowniczej (rys. 2). W pojazdach cięższych (klasy wyższej) zespół wspomagania jest zintegrowany z przekładnią kierowniczą (rys. 3). W tym przypadku, silnik napędza zębatkę za pośrednictwem przekładni kulkowej. W tej trzeciej wersji oraz w wersji dla pojazdów klasy średniej wałem kierownicy jest przekazywany tylko moment obrotowy wytwarzany za pomocą rąk kierowcy. 
W nowym Punto zespół wspomagania napędza wał kierownicy. Nie jest on produkcji ZF, lecz Delphi. Zasada działania jest jednak podobna. Układ wspomagania Dual-Drive ma jedną cechę szczególną: podczas manewrowania kierowca może prawie podwoić siłę wspomagania przez naciśnięcie przycisku City.
Budowa mechanizmu
W obudowie zespołu wspomagania jest umieszczone centralnie koło zębate. Jego wałek jest od góry połączony sprężyną skręcaną z wałem kierownicy, a od dołu Đ wałkiem pośrednim z przekładnią kierowniczą. W zależności od momentu obrotowego na wale kierownicy sprężyna skręcana umożliwia kątową różnicę obrotu między wałem kierownicy i wałkiem pośrednim do 7ˇ i stanowi część czujnika momentu obrotowego. Przed większymi skręceniami sprężyna jest zabezpieczona zderzakami mechanicznymi. W celu ograniczenia hałasów wieniec zębaty koła zębatego został wykonany z tworzywa sztucznego. Napęd od silnika elektrycznego jest przekazywany na koło zębate za pośrednictwem przekładni ślimakowej i gumowego łącznika. Łącznik ten pełni dwie funkcje: tłumi hałasy, jakie mogłyby przechodzić od silnika na układ kierowniczy i jest wymaganym miejscem rozerwania, aby silnik elektryczny nie mógł zablokować układu kierowniczego. Jako silnik elektryczny wybrano silnik synchroniczny z wirnikiem z magnesami stałymi, bez komutatora. Jest to silnik praktycznie bezobsługowy i nie zużywający się. Pobór prądu zależy od wielkości siły wspomagającej i wynosi 1-75 A. 
W obudowie zespołu wspomagania są jeszcze umieszczone czujniki kąta skrętu i momentu obrotowego, stanowiące jeden wspólny zespół. Czujnik kąta skrętu składa się z dwóch potencjometrów, których zmiany rezystancji są dla urządzenia sterującego informacją o rzeczywistym kącie skrętu. Czujnik momentu obrotowego składa się również z dwóch potencjometrów. Wychwytuje on przesunięcia kątowe między wałem kierownicy i wałkiem pośrednim i przekazuje je urządzeniu sterującemu. Przesunięcia te są proporcjonalne do wielkości momentu obrotowego. Do obudowy zespołu wspomagania jest przymocowane urządzenie sterujące.
Przepływ sygnałów
Oprócz wymienionych sygnałów głównych - kąta skrętu i momentu obrotowego, jak też napięcia zasilania, statusu przycisku City i pozycji kluczyka zapłonu, układ otrzymuje za pośrednictwem szyny CAN jeszcze inne informacje: prędkość pojazdu, sygnał, że alternator ładuje (D+ alternatora), stan lampki kontrolnej i lampki samodiagnozy itd. Na podstawie otrzymanych informacji urządzenie sterujące wylicza jak wysokie musi być natężenie prądu, aby kierowca otrzymał niezbędne wspomaganie układu kierowniczego albo, aby koła powróciły w położenie do jazdy na wprost. Jeśli układ wspomagania pracuje w trybie Normal to kierowca, aby obrócić koła na postoju potrzebuje przyłożyć do koła kierownicy moment obrotowy 4-5 Nm, natomiast po wciśnięciu przycisku City - tylko 2-3 Nm. Od prędkości jazdy 70 km/h tryb pracy City jest wyłączany automatycznie, aby zwiększyć stabilizację jazdy. Jednak w obu trybach pracy wspomaganie jest proporcjonalnie dopasowywane do prędkości. To samo dotyczy aktywnego powrotu kół w położenie do jazdy na wprost, jednak w tym przypadku na wielkość siły wspomagającej powrót kół ma też pewien wpływ kąt skrętu. Oznacza to, że przy niskich prędkościach jazdy i przy dużym kącie skrętu siła wspomagająca powrót jest duża, a przy wysokich prędkościach i przy małym kącie skrętu Đ mała. 
Diagnostyka i naprawa
Jak wszystkie nowoczesne układy elektroniczne, również elektryczne wspomaganie układu kierowniczego jest wyposażone w samodiagnozę i pamięć niesprawności. Zatem w przypadku reklamacji należy najpierw odczytać zawartość pamięci samodiagnozy. Fiat przestrzega przed sprawdzaniem czujników kąta skrętu i momentu obrotowego za pomocą multimetru. Można je sprawdzać tylko za pomocą diagnoskopu, który jest w stanie odczytać odpowiednie wartości rzeczywiste przez złącze samodiagnozy. Bazujący na PC Tester Examiner, wykorzystywany w sieci autoryzowanych warsztatów Fiata, wskazuje w sposób prosty i szybko wszystkie niezbędne do sprawdzenia układu wartości. Tak samo jak przedtem można jednak sprawdzać multimetrem napięcie zasilania, sygnał od kluczyka zapłonu (zacisk 15) i przełącznik City.
Ponieważ elektryczne wspomaganie jest ciągle nowością na rynku, to dla warsztatów nie ma jeszcze żadnych instrukcji napraw. Fiat chce wszystkie niesprawne układy sam sprawdzać, aby w ten sposób zbierać dane do ulepszenia produkcji seryjnej. Dlatego też dotychczas można jedynie wymieniać układy w kompletach. Nie ma też jeszcze żadnych części zamiennych. 
Należy pamiętać, że podczas wymontowania i zamontowania układu wspomagania układ kierowniczy musi być zablokowany w środkowym położeniu za pomocą przyrządu specjalnego. Jest to tuleja, która nasadzona na wielowypust wału kierowniczego, po zdjęciu koła kierownicy, blokuje układ kierowniczy w środkowym położeniu. Jest ważne, aby czujnik kąta skrętu znajdował się dokładnie w położeniu środkowym, gdy koła są ustawione w położeniu do jazdy na wprost. Po zamontowaniu nowego układu wspomagania trzeba na nowo zaprogramować w urządzeniu sterującym ustawienie do jazdy na wprost. Może się to odbyć albo za pomocą diagnoskopu Tester Examiner, albo podczas jazdy próbnej, po wcześniejszym odłączeniu akumulatora. Urządzenie sterujące potrafi uczyć się samo. Od prędkości 6 km/h rozpoznaje samoczynnie położenie do jazdy na wprost. Ponieważ ta regulacja zera przebiega automatycznie, po każdym rozruchu i przekroczeniu wymienionej prędkości, to nie ma potrzeby zwracania szczególnej uwagi na ustawienie kół przednich. 

Przekładnia kierownicza

Dlaczego koła zakręcają?

Układ kierowniczy samochodów osobowych to najczęściej przekładnia kierownicza typu zębatkowego/ starsze samochody typu ślimakowego np.125,126,/ Może być wyposażona w układ wspomagania/ na życzenie lub seryjnie/ .Przekładnia ma zmienne przełożenia tzn.że siła przenoszona pomiędzy kierownicą a kołami nie jest jednakowa przy jeździe na wprost
i przy zakrętach. Przekładnia kierownicza mocowana jest do karoserii lub ramy pomocniczej
i porusza zwrotnicami za pośrednictwem drążków kierowniczych. Drążki muszą mieć regulowaną długość z racji tego że konieczna jest regulacja zbieżności kół.Przekładnia jest połączona z kołem kierownicy za pośrednictwem wałka zaopatrzonego w dwa przeguby krzyżakowe, jest to połączenie tzw. Bezpieczne gdyż w razie kolizji przeguby umożliwiają odchylenie się kierownicy..Do układu kierowniczego trzeba też zaliczyć zwrotnice gdyż za ich pomocą możliwe jest zmienienie kierunku jazdy.
Wspomaganie układu kierowniczego składa się z pompy wyważającej ciśnienie, jest ona napędzana za pomocą paska klinowego od koła pasowego wału korbowego, przewodów doprowadzających olej pod ciśnieniem do specjalnie skonstruowanej przekładni kierowniczej.
W uproszczeniu zasadę działania wspomagania można opisać za pomocą kilku słów, tzn. w momencie skrętu pompa dostarcza ciśnienie które wtłoczone z odpowiedniej strony pomaga w skręcie.
W układzie kierowniczym możemy na własną odpowiedzialność wykonać kilka czynności, takich jak wymiana końcówek układu kierowniczego /pamiętajmy o regulacji zbieżności/
Regulacja luzu przekładni kierowniczej , wymiana osłon gumowych przekładni, dolanie płynu do wspomagania, regulacja naciągu paska pompy .
Nie polecam a nawet odradzam samodzielne naprawy układu wspomagania. Naprawa całego układu kierowniczego to praca bardzo odpowiedzialna, więc jeśli się na nią zdecydujecie ponosicie całkowitą odpowiedzialność za swoje czyny. Zależy od tego bezpieczeństwo moje wasze i innych użytkowników dróg i chodników. Jeśli nie masz pojęcia o naprawie lub nie czujesz się na siłach aby ją wykonać powierz ją warsztatowi który w pełni odpowiada za swoją naprawę.

---