Servosterzo elettroidraulico - costruzione e principio di funzionamento

Il design del sistema sterzante dell'auto è stato costantemente migliorato insieme agli altri componenti. Con l'aumento della velocità e del peso delle auto, la questione del servosterzo è diventata importante: i muscoli del conducente non erano più in grado di far fronte alle manovre e al parcheggio.

Il primo sistema di servosterzo era idraulico, azionato da un albero motore tramite una trasmissione a cinghia. È ancora in uso oggi perché affidabile ed efficiente, ma presenta alcuni svantaggi significativi, i principali dei quali sono la dipendenza della potenza della pompa dal regime del motore e il consumo costante di una certa potenza per azionare la pompa idraulica, anche se l'auto sta procedendo in linea retta. È stata avviata l'evoluzione del servosterzo idraulico.

Come è stato sviluppato il servosterzo elettrico

La fase iniziale del sistema idraulico variabile era costituita dalla valvola servotronica, che rilasciava la pressione nella linea idraulica quando l'auto si muoveva ad alta velocità. Lo sterzo diventava più flessibile e reattivo, ma questo era solo metà del problema. I sistemi di servosterzo di concezione tradizionale sono molto difficili da manovrare, specialmente nel traffico, quando è richiesta la massima potenza ma il motore funziona solitamente alla velocità minima. I progettisti dovevano progettare la pompa per la massima potenza e scaricare il fluido di lavoro in eccesso ad alti regimi del motore tramite un bypass.

Inoltre, il servotronic non risolveva il problema principale del sistema idraulico: i giri costanti durante il funzionamento del motore a combustione interna e gli svantaggi significativi che ne derivano, come

• aumento del consumo di carburante e delle emissioni atmosferiche;
• usura più rapida della pompa del servosterzo e riduzione della qualità del fluido;
• presenza di una trasmissione a cinghia e, quindi, fissaggio in una posizione di installazione specifica;

Pertanto, con l'aumento della potenza dei generatori automobilistici e il miglioramento dell'elettronica, è diventato possibile dotare la pompa idraulica di un motore elettrico. Inizialmente si trattava di motori di tipo collettore. Tali pompe non erano ancora in grado di modificare le prestazioni, ma grazie all'assenza di una cinghia di trasmissione, l'unità poteva essere installata in qualsiasi punto del vano motore. Le prestazioni della pompa non dipendevano più direttamente dalla velocità del motore. Successivamente, sono state dotate di un sistema di avviamento graduale e poi di un'unità di controllo per il servofreno idraulico con capacità diagnostiche. Poiché non vi erano reclami sulla parte di scarico delle pompe, caratterizzata da alta qualità e prestazioni, è stato possibile migliorare ulteriormente le unità sviluppando motori elettrici. Sono stati introdotti motori elettrici brushless a magneti permanenti (BLDC). Di seguito confronteremo tutti i tipi e le tipologie di motori elettrici.

Struttura e principio di funzionamento di un amplificatore elettroidraulico

Il principio di funzionamento del primo è rimasto praticamente invariato con l'avvento dei motori elettrici e dell'elettronica che li controlla. Come in precedenza, la rotazione del volante da parte del conducente viene amplificata dalla pressione del fluido di lavoro, anche se ora è generata da una pompa con azionamento elettrico indipendente dal motore a combustione interna. Solo l'alloggiamento del cilindro rotante è dotato di un sensore del servosterzo che trasmette i dati sulla velocità di rotazione del volante all'unità di controllo elettronico, in modo che questa possa regolare la velocità della pompa.

Il sistema di servosterzo idraulico comprende:

• pompa
• regolatore della pressione del fluido di lavoro;
• serbatoio di espansione;
• valvola di controllo (spool);
• cremagliera dello sterzo (o scatola dello sterzo) con cilindro di potenza;
• tubi flessibili ad alta e bassa pressione.

Inoltre, il sistema di servosterzo può includere anche un filtro e/o un radiatore per il fluido idraulico.

Struttura della pompa e principio di funzionamento

La struttura di questo dispositivo può essere suddivisa in due parti:

• Idraulico.
• Elettrico.

Nella maggior parte delle automobili sono combinati in un'unica unità. Questa è composta da:

• modulo idraulico con pompa a ingranaggi e valvola riduttrice;
• motore elettrico;
• serbatoio per fluido di lavoro;
• unità di controllo del servosterzo;

La pompa è collegata al meccanismo dello sterzo tramite speciali tubi di scarico. Come in un sistema idraulico convenzionale, la linea di scarico è collegata al serbatoio di separazione. Nel vano motore, la pompa è fissata a una staffa, che di solito è fissata alla carrozzeria o al telaio tramite elementi elastici in gomma.

Struttura della parte idraulica di una pompa del servosterzo

I componenti di pompaggio delle pompe del servosterzo possono essere suddivisi in tre tipi:

• cambio
• pistone
• lama

Le pompe più comuni installate nelle auto moderne sono quelle del primo tipo. Il motivo è il loro design relativamente semplice, l'elevata efficienza e le prestazioni.

Gli ingranaggi rotanti aspirano il fluido nello spazio tra i denti e lo trasferiscono dalla zona a bassa pressione a quella ad alta pressione, spingendolo così nella rete. Poiché non vi è praticamente alcun spazio tra il corpo e le estremità dei denti, è garantita una buona tenuta. Ciò è integrato e rinforzato sui lati da piastre o boccole, che fungono anche da cuscinetti per gli ingranaggi.
La parte idraulica della pompa non richiede manutenzione. La parte idraulica della pompa non richiede manutenzione. Le sue parti sono lubrificate con fluido di lavoro durante il funzionamento.

Parte elettrica

Ciò include i motori elettrici che azionano la pompa e i componenti elettronici che li controllano. A seconda del modello del veicolo, del tipo di motore e di altri fattori, potrebbe trattarsi di un'unità di controllo, un microcontrollore o un relè. Esistono diversi modi per controllare i componenti elettronici della pompa:

• Iniezione di corrente nel terminale (tipo più semplice).
• Controllo tramite un'unità di controllo.
• Controllo tramite modulazione di larghezza di impulso (PWM) basata sui sensori di velocità del motore e del veicolo.
• Controllo tramite modulazione di larghezza di impulso (PWM) basata sui sensori di velocità del motore e del veicolo.
• Tramite l'interfaccia diagnostica K-line (utilizzata sulle prime generazioni di unità EHPC).
• Il bus CAN è il metodo più moderno utilizzato nelle pompe sia per il controllo che per la diagnostica.

Nei sistemi di servosterzo elettrici ed elettroidraulici vengono utilizzati due tipi di motori elettrici:

• motori a collettore (a spazzole);
• motori brushless (BLDC);

I motori a collettore sono stati installati in precedenza e hanno funzioni limitate. Tuttavia, non possono essere considerati inequivocabilmente inferiori, poiché ciascuno di questi due tipi di motore presenta vantaggi e svantaggi.

Motore a collettore con spazzole

Vantaggi:

• Facilità di produzione e manutenzione.
• Facilità di controllo della velocità.
• Facile da usare.
• Costo contenuto rispetto al BLDC.
• Costo contenuto rispetto al BLDC.

Svantaggi:

• Manutenzione del gruppo collettore a spazzole.
• Bassa coppia all'avvio.
• Bassa coppia di avviamento.
• Efficienza inferiore.

Motore brushless (BLDC)

Vantaggi:

• Elevata efficienza e valori di coppia.
• Nessuna spazzola soggetta ad attrito e usura.
• Elevata affidabilità e lunga durata.
• Possibilità di regolare in modo fluido la velocità di rotazione della pompa.

Punti deboli:

• Costo elevato rispetto ai motori a spazzole a causa dell'uso di magneti costosi.
• Sistema di controllo elettronico più complesso.

Guasti tipici del servosterzo elettroidraulico

Proprio come le parti dell'unità di pompaggio, i guasti dell'unità possono essere suddivisi in meccanici ed elettrici. I più comuni del primo gruppo sono:

• perdita di fluido di lavoro dovuta a guarnizioni rotte o danni a tubi flessibili e tubi nella linea principale;
• contaminazione della valvola di riduzione della pressione;
• usura degli ingranaggi.

Nel primo caso, i malfunzionamenti possono essere riconosciuti dalle macchie d'olio sotto l'auto, mentre negli altri casi da un calo della pressione del sistema e da un volante duro.

I guasti elettrici sono più diversi. Questi sono:

• usura o danneggiamento delle parti del motore elettrico: spazzole, avvolgimenti, collettore;
• malfunzionamento dell'elettronica: scheda di controllo, transistor ad effetto di campo;
• malfunzionamento del sensore;
• Mancanza di comunicazione con l'unità di controllo o la scheda di controllo.

Cause frequenti sono la corrosione dei contatti o delle parti, nonché i cortocircuiti associati alla penetrazione del fluido di lavoro nell'unità elettronica.

Riparazione del servosterzo elettrico

Sebbene i produttori raccomandino spesso di sostituire l'intera unità in caso di malfunzionamento, le pompe del sistema di servosterzo sono abbastanza riparabili. L'importante è rivolgersi a tecnici qualificati, ad esempio STS, i cui specialisti dispongono di tutte le attrezzature necessarie per la riparazione, nonché di molti anni di esperienza nella manutenzione e nel ripristino di qualsiasi sistema di sterzo.