Struktura i zasada działania kolumny kierownicy ze wspomaganiem elektrycznym

W dzisiejszych czasach nie sposób wyobrazić sobie mechanizmu kierowniczego samochodu bez wzmacniacza. I dotyczy to nie tylko potężnych SUV-ów czy sedanów klasy biznes. Dziś nawet kierowcy niewielkich aut kompaktowych zaczęli doceniać komfort jazdy. Pod maską takich aut rzadko jest jednak miejsce na montaż przekładni kierowniczej z hydraulicznym lub nawet elektrycznym wspomaganiem. To jednak nie problem - w kolumnie kierowniczej można umieścić nawet asystenta kierowcy. Jakie są zalety takiego schematu i jak jest on realizowany, przyjrzyjmy się na przykładzie popularnego Volkswagena Lupo 1.2 TDI 3L produkowanego w latach 1999-2005.

Funkcje i zalety elektrycznej kolumny kierownicy

Chcielibyśmy zaznaczyć, że elektryczna kolumna kierownicy nie może być traktowana wyłącznie jako kompromisowa opcja dla wspomagania kierownicy. Schemat ten, między innymi, ma swoje istotne zalety, a mianowicie

• kontroluje sygnały wejściowe i wyjściowe, a także działanie komponentów innych elementów mechanizmu kierowniczego;
• daje kierowcy wyraźniejsze poczucie kontaktu z drogą;
• Usprawnia kierowanie w zależności od aktualnych warunków jazdy
• działa tylko wtedy, gdy kierowca obraca kierownicę, nie zużywając energii na prostych odcinkach.
• Ten ostatni czynnik przyczynia się do tego, że taki elektromechaniczny układ znacznie różni się parametrami od tradycyjnego układu hydraulicznego.

Według badań specjalistów Volkswagena, na przykładzie modelu Lupo różnice są następujące Wynika to między innymi z faktu, że w hydraulicznym układzie wspomagania kierownicy wszystkie elementy systemu są instalowane za wałem napędowym, podczas gdy w elektromechanicznym układzie wspomagania kierownicy moc jest dostarczana przed wałem napędowym.

Kolejnym znaczącym plusem jest to, że wzmacniacz sterujący w głośniku jest umieszczony w jednym kompaktowym urządzeniu, dzięki czemu nie wymaga długiego skomplikowanego okablowania. Wreszcie, co być może najważniejsze dla kierowców, silnik wspomagania kierownicy napędza przekładnię ślimakową tuż obok kierownicy, dzięki czemu kierowca ma bezpośrednie wyczucie kierownicy, tj. taką samą informację zwrotną z drogi, jak w przypadku braku wspomagania kierownicy.

Konstrukcja kolumny kierownicy ze wspomaganiem elektrycznym

Główne komponenty górnej części mechanizmu kierowniczego w tym schemacie są pokazane na rysunku

• przełączniki kierunkowskazów i trybu pracy wycieraczek ,
• obudowa kolumny kierownicy,
• przekładnia ślimakowa,
• elektroniczna jednostka sterująca kolumny kierownicy,
• wał przegubowy mechanizmu kierowniczego.

Wewnątrz systemu zainstalowane są bardzo ważne czujniki:położenia kierownicy i momentu obrotowego kierownicy.A tak wygląda elektryczna kolumna kierownicy w przekroju całego przodu samochodu:

Przyjrzyjmy się teraz bliżej komponentom kolumny kierowniczej, która wyposażona jest w elektryczne wspomaganie kierownicy. Można je podzielić na dwie grupy

1. Elektryczne.
2. Mechaniczne

Pierwsza grupa obejmuje komponenty elektroniczne węzła:

• silnik elektryczny i jego sprzęgło;
• jednostka sterująca elektrycznego wspomagania kierownicy;
• czujniki momentu obrotowego i położenia kierownicy we wspólnej obudowie.

Druga grupa stosowana jest we wszystkich, nie tylko elektromechanicznych, głośnikach. Są to

• wały: kierowniczy i napędowy;
• obudowa kolumny kierowniczej z regulacją wysokości;
• napęd ślimakowy z przekładnią ślimakową i zębatką
• wrzeciono pośrednie
• pręt skrętny (drążek).

Ten drążek skrętny jest centralnym elementem elektrycznie napędzanej kolumny kierownicy. Drążek skrętny mechanicznie łączy wrzeciono pośrednie z wałem przekładni ślimakowej. Pozwala to obu częściom obracać się przeciwnie o niewielki kąt. Jest to wystarczające, aby system rozpoznał rozpoczęcie kierowania.

Wał napędowy składa się z dwóch widełek połączonych z krótkim ramieniem teleskopowym. Kompensuje ono długość mechanizmu regulacji wysokości i chroni kierowcę oraz pasażerów w przypadku zderzenia czołowego. Jeśli kierowca podnosi dźwignię do góry podczas regulacji, staje się ona krótsza, co zmniejsza odległość między kierownicą a mechanizmem kierowniczym. W odwrotnej sytuacji dźwignia teleskopowa wydłuża się. Zakres regulacji w Volkswagenie Lupo wynosi 39 mm.

Przekładnia ślimakowa jest umieszczona w aluminiowej obudowie przekładni wraz z silnikiem elektrycznym. Ślimak na wale silnika zazębia się z kołem zębatym na wale kierownicy, umożliwiając podniesienie kierownicy bezpośrednio prawie tam, gdzie robi to kierowca. Wał silnika jest połączony z wałem ślimakowym za pomocą elastycznego gumowego sprzęgła, dzięki czemu moment rozruchowy silnika jest przenoszony tak delikatnie, jak to tylko możliwe. Silnik elektryczny ma moc 720 W i wytwarza moment obrotowy 2 Nm. Elektronika została zaprojektowana w taki sposób, aby zapewnić bardzo krótki czas reakcji i jak najszybsze reagowanie na ruchy kierownicą.

Nad przekładnią znajduje się obudowa dla czujników położenia kierownicy i kąta skrętu. Pierwszy z nich podłączony jest do wału przekładni ślimakowej. Rejestruje on aktualną pozycję kierownicy lub jej zablokowanie. Drugi jest podłączony do belki skrętnej. Oblicza on kąt obrotu belki skrętnej w stosunku do wrzeciona pośredniego. Jednostka sterująca oblicza moment obrotowy na podstawie tego sygnału. Jeśli obliczony moment obrotowy przekracza wartość 0,01 Nm, jednostka sterująca decyduje, że wymagane jest wspomaganie kierownicy.

Elektroniczna jednostka sterująca wspomaganiem kierownicy jest również przykręcona do korpusu przekładni ślimakowej. Oblicza on niezbędną pomoc dla kierowcy na podstawie danych otrzymanych z czujników i biorąc pod uwagę prędkość pojazdu. Obudowa czujnika jest połączona z jednostką sterującą za pomocą 6-stykowego złącza. Jeśli jednostka sterująca wykryje usterkę w układzie wspomagania kierownicy, włączy lampkę ostrzegawczą w zestawie wskaźników.

Jak działa elektromechaniczne wspomaganie kierownicy

Kierowca zaczyna obracać kierownicą. W tym samym czasie obraca się drążek skrętny. Czujnik momentu obrotowego, który obraca się wraz z drążkiem skrętnym, wysyła sygnały do jednostki sterującej, wskazując wielkość i kierunek obrotu momentu obrotowego układu kierowniczego. Na podstawie tych sygnałów jednostka sterująca oblicza wymagane wspomaganie i aktywuje silnik elektryczny. Suma momentu obrotowego działającego na koło kierownicy i wspomagania momentu obrotowego stanowi efektywny moment obrotowy działający na przekładnię kierowniczą.

Jeśli kierowca zwiększy moment obrotowy przyłożony do kierownicy, silnik elektryczny zwiększy moment obrotowy. Jeśli go zmniejszy, skręt drążka skrętnego zmniejszy się. W rezultacie czujnik momentu obrotowego kierownicy wysyła mniejszy sygnał do jednostki sterującej.

Kiedy kierowca zwalnia kierownicę podczas pokonywania zakrętów, napięcie na drążku skrętnym zostaje zwolnione. Jednocześnie elektronika dezaktywuje silnik elektryczny, ponieważ wspomaganie momentu obrotowego nie jest już potrzebne. Jeśli jednak czujnik położenia kierownicy wykryje, że pojazd nadal nie porusza się prosto, silnik elektryczny zostanie aktywowany, aby kierownica aktywnie powróciła do pozycji prostej.

Naprawa kolumny kierownicy z elektrycznym wspomaganiem kierownicy

Chociaż opisana konstrukcja jest dość niezawodna, czas i aktywne użytkowanie często prowadzą do awarii. Najczęściej uszkadzanymi częściami są

plastikowe pierścienie czujników;

same sensory

Krzyże wału PTO.

Mimo faktu, że elektryczna kolumna kierownicy jest mniej podatna na uszkodzenia niż inne rodzaje wspomagania kierownicy, ponieważ znajduje się wewnątrz kabiny, może również ulec korozji. Styki czujników i jednostki sterującej, a nawet połączenia wielowypustowe części mechanicznych ulegają utlenieniu.