Elektromos szervókormány – elektromos szervó hibák
-a fejlődés útja a biztonság és a kényelem felé-
Az elektromos szervókormány fejlesztéseket elsősorban a Bosch által megvásárolt ZF, a Thyssen Krupp és az amerikai TRW cégeknek köszönhetjük. Több évtizedes munka eredményeképp jutottak arra a szintre termékek, hogy mára már nélkülözhetetlen komponenssé váltak az autózásban.
Már a kezdeti fejlesztéseknél megfogalmazódtak az elvárások egy jól teljesítő elektromos szervókormánnyal szemben, ezek a következők. Az első, hogy azonnali legyen a rásegítés, minél kisebb legyen a késés a rásegítéskor, amit már sok évvel ezelőtt sikeresen megoldottak. Másodsorban kisebb legyen az energiafelhasználás, mint a korábbi típusoknál. A korábbi szervók folyamatosan működtek, nem csak akkor, amikor ténylegesen végeztek rásegítést. Az ipari átlag szerint az elektromos szervók akár kb. fél literrel tudják csökkenteni az üzemanyag fogyasztást korábbi társaikhoz képest. A harmadik elvárás az elektromos szervókkal szemben, hogy a parkolás minél könnyebb és egyszerűbb legyen. Az igazság az, hogy az évek során ez az elvárás volt az egyik legfontosabb mozgatórugó a fejlesztésben. Ez magyarázható a zsúfolódó városokkal és azzal, hogy a gyártók ezen keresztül egy jelentős női vásárló réteget tudtak megnyerni maguknak a férfiak mellett. A negyedik, amire mindenképp számítunk, hogy minél inkább észrevétlen legyen a rásegítés. Amikor a szervókormány elkezd rásegíteni, egy komoly erejű villanymotor lép működésbe. Fontos, hogy ez minél simábban illeszkedjen a kezünk által a kormányon keresztül kifejtett növekvő nyomatékhoz. Ellenkező esetben rángatna, darabos lenne a kormányzás. Az elektronikai félvezetők biztosítják ehhez az elméleti hátteret, a gyakorlatban pedig a szoftveres fejlesztés teszi ezt teljessé. Következő, azaz az ötödik elvárás, hogy stabil legyen az egyenes irányú mozgás. Ez jó kiindulópont minden későbbi beavatkozáshoz. Itt például az ESP és fék-rendszerre gondolhatunk. Ha eltérő a tapadás a két oldal között a kerekeknél, a szervókormány be is avatkozhat, vibrálva jelezhet a vezetőnek vagy akár változtathat a rásegítés mértékén. Részben ehhez kapcsolódik a hatodik pontunk, nevezetesen, hogy a szervókormány adjon visszacsatolást az útról, azaz „érezzük az utat”. Ha az nem valósulna meg, elveszítenénk a lehetőséget, hogy szinte eggyé válva az autóval, stabil könnyed legyen a vezetési élmény.
Elektromos szervókormány – az aktív biztonság térnyerése
Előfordulhat, hogy a szervókormány hibáját az ESP rendszer jelzi először. Az egyszerűbb szervókormányoknál, például kormányoszlop rásegítéseknél kezdetleges az önellenőrzés. Ez azt jelenti, hogy egy mechanikai hibát lehet, hogy az ESP rendszer hamarabb jelez, mint maga a szervó vezérlő egysége. Ahogy a rendszerek integrálására lehetősége nyílt a gyártóknak, az asszisztens rendszerek gyorsan fejlődtek. Egyik legfontosabb a már említett parkolási asszisztens. Ha az autó mozgása nem tűnik stabilnak, a kormánykerék vibrációjával az EPS gyakorlatilag jelezheti a problémát a vezetetőnek. A sávtartó asszisztenst kell még megemlítenünk. Ha a rendszer úgy érzékeli, a sévelhagyás nem volt szándékos jelezhet vagy akár be is avatkozhat. Hasonló a helyzet, ha a rendszer a melletünk lévő sávot nem tartja biztonságosnak az előzéshez. Ez természetesen a kezdetektől parázs vitákat szült a szabályozás szükségességéről és a beavatkozás technikai hátteréről. Ma úgy tűnik, hogy az önvezetés koncepciója megállíthatatlanul tör előre, ennek pedig egyik végső végrehatjtó eleme az elektromos szervókormány.
Az elektromos szervókormány praktikális előnyei
Mivel a biztonságot sokszor már említésre se méltó, garantált tényező sok autóvásárló szemében, ezért a fejlesztés nagy erőkkel folytatódott a kényelem és a vezetés stílusának növelése felé. A korábbi szervóolajjal működő rendszerekhez képest a szerelés itt sokkal egyszerűbb. Ez az oldal természetesen csökkenti a meghibásodási lehetőséget. Természetesen akadnak az oldalnak bírálói is, hiszen az elektronikai panel kismillió alkatrészének köszönhetően egy rendkívül összetett és nehezen javítható alkatrészt kaptunk. Az autógyártók oldaláról a fejlesztés iránya teljesen érthető. sokkal fontosabb a szerelés minimalizálása, mint a javítás megkönnyítése. A szervókormányok gyártástechnológiáját elemezve sokak szerint alkalmanként szándékos akadályok vannak gördítve az egyszerű javítás útjába. A gyártói oldalról, ami előírás is bizonyos ideig, hogy alkatrészt biztosítsanak modelljeikhez. Sok szakértő áll ki a környezetvédelmi előírások mellet, amire felfűzhetőek az EPS-fejlesztések. A szervóolaj szükségtelenné vált. Ennek elhagyása nem elhanyagolható ugyan, de a motor kenéséhez szükséges és gyakrabban cserélendő, nagyobb mennyiségű olaj sokkal nagyobb környezeti terhelést jelent. A biztonság növelése egyértelműen az EPS-fejlesztések oldalán áll. Emellett a kényelmi funkciók (parkolási asszisztens) is egyre fontosabb tényezőkké váltak. említsük még meg a diagnosztikai szempontokat. Minimális gyakorlattal és megfelelő autódiagnosztikai eszközzel könnyen diagnosztizálhatjuk az EPS rendszereket. Rendelkeznek hibatárolóval, ellenőrizhetik az átfolyó áram erősséget, kiszámolják az elméleti fordulási szögeket és összevetik a gyakorlati értékekkel. Ezek sokkal egyszerűbbé teszik a diagnosztikát összehasonlítva a hidraulikus rendszerekkel, Ha például gyanakszunk arra, hogy egy hidraulikus kormánymű átenged nincs könnyű dolgunk a diagnosztikával. A legtöbb szerelőnél nincs ehhez megfelelő műszer, így sokszor – kizárásos alapon – terelődik a figyelem a szervókormány felé. A legtöbbet emlegetett előny viszont az a kb. fél liter üzemanyag megtakarítás, amit az elektromos technológia lehetővé tesz. Szervóolajos rendszereknél folyamatosan kell tartani az olajnyomás, mivel annak felépülése nem azonnali. Ennek nyomáson tartásáért viszont nagy árat fizetünk. A már említett kb. fél litert, mivel az olajszivattyú folyamatos forgatása az ékszíjon keresztül terheli a motorunkat. Ezzel szemben az elektronikai potenciál különbség fenntartására, ami gyakorlatilag az energiát tárolja, nem kell jelentős energiát fordítanunk. Az elektromos motor rásegítése pedig szinte azonnali. Mindkét szempont teljesült tehát. Az elektromos motor a kormányoszlopoknál ún. worm-csigán keresztül ad le energiát, itt viszont olyan kicsi a nyomaték mértéke, hogy a motornak nem kell lendületbe jönnie, a hatása gyakorlatilag azonnali.
Hogyan, milyen elven működik az elektromos szervókormány?
A kormánykerék alatt egy lefelő szögben menő tengelyt találunk, aminek a vezető által kifejtett erő irányának és mértékének továbbítása a feladata. Ez egy – kardáncsuklóval összekötött- alsó és felső részből áll. 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 határozza meg a vezérlő elektronika (control unit) a szükséges rásegítő nyomatékot, áramot ad és működteti a villanymotort. A kerekeket mozgató nyomaték a kézi és a rásegítő nyomaték összege. Ha kisebb nyomatékot fejtünk ki a kormánykeréken, a villanymotor csökkenti a rásegítő nyomatékot. Mivel kisebb lesz a torziós rúd elcsavarodása és a rásegítő nyomaték is, a jeladó kisebb jelet közvetít az elektronikának, amely csökkenti a rásegítő nyomatékot. A futómű geometriának megfelelően a kerekek visszatérnek egyenes meneti helyzetbe helyes futóműbeállítás esetén. Téves tehát az a feltételezés, hogy amikor nem fordul vissza egyenesbe a kormány egy kanyar után, hogy a akormányszervó lenne a hibás. ilynekor mindig a futómű egyes elemeiben keressük a hibát..
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.
Technológia alaptípusok
A legegyszerűbb típus a kormányoszlopra szerelt elektromechanikus szervókormány. Ilyennel szerelték például a Fiat Punto 1, Opel Corsa B és C típusokat. Vezérlőegységet a Delphi készítette hozzá a szükséges diagnosztikai feltételekkel. Fejlettebb típust képviselnek a Corsa D, Alfa Mito, Fiat Grande Punto típusok. Az Opel Meriva A típus egy oldalág technikailag, de gyakori meghibásodása miatt fontos megjegyeznünk. A Hyundai és Kia típusok is előszeretettel alkalmaznak kormányoszlop rásegítést autóikban. Itt felsorolhatjuk szinte a teljes sorozatot, Kia Cee’d, Picanto, Rio valamint a Hyundai i30, i40, i10, i20 stb. A Hyundai i40 méretileg az egyik legnagyobb autó, ami ilyen szervót kapott, mégpedig elég robosztus kivitelben. Összességében az olasz, a keleti (Dél-Korea, Japán) tették le voksukat emellett elsősorban a kisebb autóiknál.
Léteznek olyan típusok, mint pl. a Suzuki Sx4 vagy a Peugeot 207-es kormányszervói. Ezeknél a villanymotor az úgynevezett orsótengelyre fejt ki rásegítést. Az orsótengely (angolul pinion) a fogasléc fogaira valamilyen, nem épp 90 fokos szögben van ráhelyezve. Kezdeti létjogosultsága mindenképp abból adódott, hogy minimálisan kellett módosítani a hidraulikus szervókormány felépítést ehhez a típushoz. Itt a nyomatékszenzor a kormánymű „nyakánál” helyezkedik el.
A szervókormány tovább fejlődött és létrejött a dupla pinion, azaz kettős orsótengely kivitel. Ilyennel szerelték az Audi A3 és VW Touran típusokat. A dupla pinion kivitel a következő előnyökkel járt a korábbi típusokhoz képest. Sokkal kényelmesebb, könnyebben kormányozható, tartósabb, kevésbé összetett, energia takarékos. A típusváltoztatás oka nem az egyszeres pinion rásegítés hiányosságaiban keresendő. Az elketrohidraulikus változattal szemben felmerült igényeket a technológia nem tudta 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 kialakítás adja a dual pinion változat elnevezést. Az előnye ennek a konstrukciónak az, hogy a villanymotor meghibásodása esetén kormányozható marad a gépkocsi a kormánykerék tengelyére szerelt fogaskerékkel nagyobb erővel ugyan, de. A rásegítő villanymotor nyomatékát egy csigahajtás növeli meg és ezen keresztül adja át a rásegítő erőt a fogaslécre.
A fejlesztést követően néhány évig a dupla pinion megoldás volt a legbiztonságosabb az összes típus között. Lássuk, mik az előnye a többiekhez képest. Cél volt, hogy minél tágabb tartományban tudjon működni mindaddig, amíg az nem a biztonsági rendszer terhelésére vagy megkerülésére szolgál. Például amikor a gépkocsi sebességre, vagy a kormányzási szög jele hiányzik valamilyen meghibásodás miatt csökkentett működési program lép életbe. Erre a sofőrt egy ellenőrző lámpa világítása figyelmezteti sárga vagy piros piktogrammal, de az autó biztonságos kormányozhatósága megmarad, nem érezzük a különbséget a rásegítésben. A kormányzási nyomaték jele azért biztonságos, mert az OBD rendszer kommunikációs csatornáján többszörösen, azaz redundáns módon jut el a vezérlő egységbe. Ha mindkettő meghibásodik, egy bizonyos átmenettel rásegítés mentes kormányzás fog megvalósulni. Valamely érzékelő meghibásodása esetén nem tud hirtelen bekövetkezni a kormányozhatóság megváltozása. Ugyanez a helyzet, amennyiben a villanymotor forgás érzékelője hibásodik meg.
Hasonló gondot fordítottak a fejlesztők a 12V-os feszültség kimaradására is. Mivel az elektromos rendszerek alkalmazása egyre szélesebb körűvé vált az autókban, ami a flex ray rendszereknél még egy nagy léptékűt ugrik is, ezért a hálózat terhelése a korábbi terhelés sokszorosa, amit bele kell venni a képletbe. A nagy áramfelvételű fogyasztókkal párhuzamosan növekszik a lemerült akkumulátor kockázata. Ahhoz, hogy elkerülhető legyen a teljes energiaellátás összeomlása terveztek egy hálózatot figyelő programot. Ez lehetővé teszi az optimális rásegítést, ami a pillanatnyi hálózati feszültséghez igazodó maximális rásegítést jelent. Ha csökken a feszültség, akkor kisebb lesz a rásegítés, vagyis a csökkentett üzemmód lép életbe.
Ha kábel szakadna el vagy leesik a saru és az akkumulátor már nem csatlakozik a hálózathoz, az elektromos hálózatot felügyelni hivatott elektronika jelez a villanymotoros szervokormány elektronikájának. Ilyenkor az korlátozza az áramfelvételt, megvédi ezáltal a generátort a túlterhelődéstől.
Kiemelt autóipari teszt, az úgynevezett „rénszarvas teszt”, aminek lényege, hogy valamilyen útakadály a vezetőt hirtelen kormánymozdulatra (elrántásra) kényszeríti, majd utána hirtelen vissz is kormányozza az autót. Ez az egyik legkomolyabb terhelést méri a futóműre és az összes, az irányításban közvetve vagy közvetlenül részt vevő egységre is. A csatlakoztatott akkus és a lekötött6leszakadt/tönkrement akkumulátorral végrehajtott próbák eredményei alapján megállapíthatjuk a következőt. Ha a szervokormány teljes energia igényét a generátor adja, a mérésekből megállapítható, hogy az autó biztonságos és kényelmesen kormányozható maradt. Kulcs a folyamat során a rendszer folyamatos figyelésén kívül az azonnali, megfelelő mértékű beavatkozások a másodperc tört része alatt.
Az elektronika által vezérelt villanymotor nyomatékát egy bordás ékszíj áttétel fokozza. Ezután a golyóorsós csavarhajtáson keresztül továbbítódik a módosított nyomaték, így a forgó mozgás jó hatásfokkal egyenes vonalúvá válik. Látványos oldalirányú mozgásra kényszerítve a kormánymű fogaslécét.
A szögszenzor a villanymotor forgórészének helyzetével arányos jelet ad a kormányszervó egység vezérlő elektronikájának (control unit).
Ebből számítható az elkormányzás mértéke és összevethető a valós adatokkal. Használható az egyenes meneti visszaállítához is. A forgórészhez egy speciális alakú gyűrűt az állórészbe pedig az ezzel együttműködő érzékelő tekercseket szerelik be.
Az Audi A4, A5, A6, A8 vagy Porsce Macan típusok szervókormánya az ún.: „apa”-típusváltozat, ami a legújabb fejlesztés és egyben mechatronikai vívmány is. Ennél is a rásegítést adó villanymotor a fogasléccel párhuzamos beépítésű csakhogy 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. Mivel az öntvényház rögzített, így a villanymotor forgása oldalirányú egyenes mozgásra kényszeríti a fogaslécet.
Meg kell még említenünk a villanymotorral közös egységet alkotó szervómotor vezérlő elektronikát, ami folyamatosan felügyeli a rendszer működését. Meghibásodás esetén a tárolt hibakódokat a csak a megfelelő diagnosztikai műszerrel lehet kiolvasni.