Rodzaje czujników momentu obrotowego dla szyn kierowniczych EPS

O tym, jak ważne jest posiadanie nie tylko dobrego, ale i lekkiego mechanizmu kierowniczego, opowiada ciekawa historia. W latach 70. ubiegłego wieku, gdy ZSRR opuszczał Wietnam, zostawił w prezencie wiele sprzętu, w tym samochody. Wyczerpani wojną i głodem wietnamscy kierowcy musieli zabierać ze sobą asystentów - samodzielne obracanie kierownicą ciężarówek ZIS i GAZ było bardzo trudne. Konstrukcja pojazdów jest jednak stale ulepszana. Obecnie hydrauliczne i elektryczne wspomaganie kierownicy pomaga w jej obracaniu.

Struktura EPC

W przeciwieństwie do ludzkich asystentów, nie musisz prosić elektrycznego wspomagania kierownicy o pomoc, ani nawet aktywować go przyciskiem. Jednostka sterująca EPS zawsze wie, ile siły należy przyłożyć do zębatki i zębnika - czujnik momentu obrotowego na wale kierownicy dostarcza mu tych informacji. Jego inna nazwa to konwerter momentu obrotowego i jest on głównym urządzeniem pomiarowym układu kierowniczego. W niektórych konstrukcjach można go połączyć z czujnikiem kąta skrętu, co nie zmienia jego głównej funkcji.

Najczęściej czujnik momentu obrotowego jest wbudowany w kolumnę kierownicy. Wał kierownicy i wał zębaty są połączone ze sobą za pomocą drążka skrętnego - pręta o sztywności skrętnej. Zasada działania czujnika opiera się na pomiarze kąta skręcenia, który jest proporcjonalny do momentu obrotowego przyłożonego do kierownicy. Ponieważ kąt ten jest bardzo mały, zakres pomiarowy czujnika wynosi tylko 4-5 stopni w każdym kierunku. Stawia to zwiększone wymagania zarówno co do dokładności urządzenia, jak i niezawodności i jakości jego wykonania.

Rodzaje czujników

Istnieje wiele wariantów komponentów wspomagania kierownicy. W szczególności istnieje kilka typów czujników momentu obrotowego. Główne z nich to:

Kontaktowe (rezystancyjne)

Zasada ich działania opiera się na zmianie rezystancji elektrycznej, gdy czujnik jest odkształcany pod wpływem momentu obrotowego. W tym celu stosuje się potencjometry lub inne elementy o zmiennej rezystancji. Ze względu na prostą konstrukcję i niski koszt, takie czujniki momentu obrotowego (najczęściej potencjometry rezystancyjne) były stosowane głównie we wczesnych modelach samochodów z elektrycznymi przekładniami kierowniczymi. Są to na przykład pierwsze generacje popularnych samochodów budżetowych

• Toyota Yaris
• Nissan Micra
• Chevrolet Spark
• Fiat Panda
• Peugeot 206
• Renault Clio

jak również samochody produkcji rosyjskiej. Wraz z rozwojem technologii, większość producentów samochodów stopniowo przechodzi na bardziej nowoczesne rozwiązania zbliżeniowe.

Czujniki halowe

Bezkontaktowy czujnik momentu obrotowego, oparty na efekcie odkrytym przez fizyka Edwina Halla, jest uważany za najbardziej powszechny. Wykorzystują one zjawisko polegające na generowaniu napięcia poprzecznego w przewodniku lub półprzewodniku z prądem, gdy znajduje się on w polu magnetycznym. Magnes jest zamontowany na wale kierownicy, a czujnik wykrywa zmiany strumienia magnetycznego po przyłożeniu momentu obrotowego. Często, aby zwiększyć czułość i poprawić niezawodność pomiaru, czujnik momentu obrotowego zawiera dwa czujniki Halla.

Ponieważ czujniki tego typu można łatwo zintegrować z układami kierowniczymi bez znacznego zwiększania ich rozmiarów, są one szeroko stosowane przez wiodących producentów układów kierowniczych, takich jak Bosch, ZF, Nexteer i JTEKT, a także w pojazdach Volkswagen, Renault, Toyota, Hyundai i wielu innych. Idealnie nadają się do pojazdów masowych i premium, zapewniając niezawodność i precyzję w kompaktowej i ekonomicznej konstrukcji.

Indukcyjne

Działają na podobnej zasadzie zmiany indukcyjności, która powoduje ruch metalowego obiektu. Wykorzystują one cewki indukcyjne, które wytwarzają zmienne pole magnetyczne. Jednak w przeciwieństwie do czujników Halla, w których zmiany kąta lub siły powodują zmiany pola magnetycznego, które są przekształcane w sygnał elektryczny, sygnał jest mierzony na podstawie odpowiedzi elektromagnetycznej. Czujniki indukcyjne są bardziej odporne na silne wibracje i zakłócenia oraz są mniej podatne na wpływ temperatury i zewnętrznych pól elektromagnetycznych.

Takie czujniki momentu obrotowego są najczęściej stosowane w samochodach segmentu masowego i budżetowego, gdzie ważny jest niski koszt, niezawodność i prostota konstrukcji. Są one zintegrowane z układami kierowniczymi wiodących producentów samochodów, takich jak

• Bosch
• ZF
• TRW
• Nexteer
• Valeo
• Continental

Grupa PSA aktywnie wykorzystuje tę technologię w swoich systemach w samochodach, w układach kierowniczych modeli Volkswagena z segmentu masowego: Polo, SEAT Ibiza, Skoda Rapid, w budżetowych systemach EPS dla Toyoty i innych japońskich marek.

Magnetooporność

Zasada ich działania, podobnie jak w przypadku poprzednich dwóch typów, jest związana z polem magnetycznym, ale tutaj stosowane są cienkowarstwowe elementy magnetorezystancyjne, które rejestrują zmiany rezystancji przy zmianach pola magnetycznego. Umożliwia to dokładniejszy pomiar niewielkich zmian momentu obrotowego. Czujniki magnetorezystancyjne są bardziej kompaktowe niż czujniki indukcyjne lub Halla i są bardziej czułe i dokładne.

Systemy czujników magnetorezystancyjnych są stosowane zarówno w samochodach masowych, jak i premium, w konfiguracjach kolumnowych, zębatkowych i zębatkowych ze wspomaganiem układu kierowniczego (EPS). W szczególności w pojazdach VAG (Volkswagen, Audi, Skoda i SEAT) czujniki magnetorezystancyjne są wykorzystywane w układach EPS opracowanych przez firmy Bosch i ZF. GM wykorzystuje czujniki magnetorezystancyjne we własnych układach kierowniczych (na przykład w Chevrolecie Malibu i GMC Terrain) oraz w układach dostarczanych przez Nexteer EPS. Inni producenci również używają takich czujników: Toyota, Hyundai/Kia, BMW, Volvo Trucks.

Mierniki naprężenia

Wykorzystują one zasadę pomiaru odkształceń mechanicznych za pomocą tensometrów (ogniw obciążnikowych), zwykle przymocowanych do wału kierownicy. Po przyłożeniu momentu obrotowego wał odkształca się, powodując zmianę rezystancji elektrycznej tensometrów. Pola magnetyczne nie mają na nie wpływu, ale są one wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne i mogą być narażone na działanie temperatury, brudu i korozji. Jednocześnie zapewniają wysoką liniowość sygnału i są ogólnie bardzo dokładne, ponieważ bezpośrednio mierzą odkształcenia mechaniczne.

Są one stosowane w pojazdach klasy premium, sportowych i użytkowych, a także w systemach autonomicznej jazdy i ADAS. Wiodący producenci komponentów, tacy jak ZF, Bosch i JTEKT, integrują te czujniki w swoich układach kierowniczych (Servotronic, Active Steering, Direct-Steer i innych), aby osiągnąć wysoką dokładność i niezawodność.

Optyczne

Wykorzystują diody LED i czujniki fotoelektryczne do określania kąta lub siły obrotu. Wykrywają zmiany strumienia świetlnego podczas ruchu części mechanicznych.

Optyczne czujniki momentu obrotowego są jednak rzadziej stosowane w przemyśle motoryzacyjnym niż inne typy. Powodem jest to, że pomimo wysokiej dokładności pomiaru, są one zbyt wrażliwe na brud, kurz, wilgoć i inne czynniki zewnętrzne. Ich użycie jest uzasadnione w niektórych kategoriach samochodów:

• hybrydy (Nissan Leaf i Toyota Prius pierwszych generacji);
• samochody sportowe (Porsche 911, Audi TT);samochody autonomiczne (Waymo (Google Car), wczesne prototypy Tesli)
• transport komercyjny (autobusy Volvo).

Oprócz czułości, ograniczone zastosowanie tego typu czujników wynika z wysokich kosztów produkcji i utrzymania, a także porównywalnej dokładności przy mniejszej podatności na uszkodzenia tensometrów i czujników Halla.

Naprawa i konserwacja czujników momentu obrotowego

Przyczyny awarii czujnika mogą być następujące:

• deformacja wału kierowniczego lub innych podzespołów związanych z czujnikiem;
• uszkodzenie przewodów lub złączy łączących czujnik z modułem sterującym;
• awaria oprogramowania;
• czynniki zewnętrzne: przedostanie się wody, brudu lub korozja styków.

Wszystko to może prowadzić do nieprawidłowego działania urządzenia, które można rozpoznać po kilku objawach:

1. Zmiana w zachowaniu ECU. Kierownica może stać się zbyt ciężka lub zbyt lekka.
2. Hałasy i wibracje. Podczas obracania kierownicy w miejscu lub podczas jazdy mogą występować obce dźwięki (takie jak warkot lub klikanie).
3. Utrata siły powrotu. Kierownica może nie powracać automatycznie do pozycji środkowej po wyjściu z zakrętu.
4. Błędy w działaniu systemów wspomagających kierowcę. Systemy, które opierają się na czujniku momentu obrotowego (np. adaptacyjny tempomat, utrzymywanie pasa ruchu) mogą nie działać poprawnie lub mogą być wyłączone.
5. Ikona kierownicy na zestawie wskaźników. Może być żółta/pomarańczowa, jeśli problem jest ostrzegawczy, lub czerwona, jeśli ECU ma poważne problemy. W niektórych samochodach, w których układ wspomagania kierownicy jest zintegrowany z ogólną jednostką sterującą, zapala się również kontrolka Check Engine.

To wskazanie jest najpewniejszym sygnałem, że kierowca musi skontaktować się ze specjalistycznym warsztatem w celu przeprowadzenia diagnostyki i naprawy. Zazwyczaj podczas podłączania skanera diagnostycznego rejestrowane są następujące błędy.

• C1500 - Brak sygnału czujnika momentu obrotowego.
• C1524 - Sygnał czujnika momentu obrotowego jest nieprawidłowy.
• U0126 - Utrata komunikacji z modułem sterującym.

Chociaż producenci pojazdów i części samochodowych często zalecają wymianę zespołu kierowniczego w przypadku awarii przemiennika momentu obrotowego, w większości przypadków można tego uniknąć. Wyspecjalizowane stacje obsługi samochodów, takie jak STS, mają duże doświadczenie w odbudowie mechanizmów kierowniczych o dowolnej złożoności.

Aby przywrócić czujnik momentu obrotowego do pełnej sprawności, należy go zdemontować z przekładni kierowniczej i rozmontować. Jeśli kontrola wykaże jedynie oznaki zużycia ruchomych części, czujnik momentu obrotowego można ponownie zmontować i zamontować na zębatce, a następnie skalibrować.

Jeśli jednak to nie pomoże, nadal nie musisz kupować nowej jednostki. STS zawsze posiada odnowione, w pełni funkcjonalne stojaki kierownicze własnej marki dla każdego popularnego modelu samochodu. Nasi klienci otrzymują odnowioną jednostkę, która w żaden sposób nie ustępuje oryginalnej zębatce, a pod względem dalszej konserwacji nawet ją przewyższa, w cenie znacznie niższej niż nowa część