Виды датчиков крутящего момента рулевых реек ЭПК

Про то, насколько важно иметь не только исправный, но еще и легкий рулевой механизм, говорит одна любопытная история. В 70-е годы прошлого века, когда СССР покидал Вьетнам, в качестве прощального подарка он оставил там много техники, в том числе, автомобилей. Измученным войной и голодом вьетнамским водителям приходилось брать с собою помощников – прокрутить в одиночку руль грузовых «ЗИСов» и «ГАЗов» было очень сложно. Однако конструкция автомобиля постоянно совершенствуется. Сегодня крутить руль помогают гидравлические и электрические усилители руля.

Устройство ЭУР

В отличие от живых ассистентов, просить электроусилитель руля о помощи или даже активировать его кнопкой не нужно. Блок управления ЭУР всегда знает, какое усилие нужно приложить на шток рейки – данные об этом ему предоставляет датчик крутящего момента рулевого вала. Другое его название – датчик момента сопротивления повороту, и это основной измерительный прибор рулевой системы. В ряде конструкций он может быть объединен с датчиком угла поворота рулевого колеса, что не меняет его основной функции.

Чаще всего датчик момента встроен в рулевую колонку. Ее рулевой вал и вал-шестерня связаны друг с другом торсионом – стержнем, обладающим крутильной жесткостью. Как раз на измерении угла закручивания торсиона, который пропорционален крутящему моменту на руле, и построен принцип действия датчика. Поскольку этот угол очень небольшой, диапазон измерения датчика составляет всего 4-5° в каждую сторону. Это предъявляет повышенные требования как к точности измерения прибора, так и к надежности и качеству его изготовления.  

Разновидности датчиков

Существует множество вариантов исполнения узлов электроусилителя руля. В том числе различают несколько разновидностей датчиков крутящего момента. Основными из них являются:

Контактные (резистивные)

Принцип их работы основан на изменении электрического сопротивления при деформации датчика под действием крутящего момента. С этой целью используются потенциометры или другие элементы с переменным сопротивлением. Из-за простоты конструкции и низкой стоимости такие датчики крутящего момента (чаще всего резистивные потенциометрические) использовались преимущественно в ранних моделях автомобилей с электрическими рулевыми рейками. Это, например, первые поколения популярных бюджетных машин

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

а также авто российского производства. С развитием технологий большинство автопроизводителей постепенно перешли на более современные бесконтактные решения.

Датчики Холла

Бесконтактный датчик крутящего момента, в основу которого заложен эффект, открытый физиком Эдвином Холлом, считают самым распространенным. Они используют явление, при котором в проводнике или полупроводнике с током возникает поперечное напряжение, если он находится в магнитном поле. Магнит устанавливается на рулевой вал, а датчик фиксирует изменения магнитного потока при воздействии крутящего момента. Часто с целью увеличения чувствительности и повышения надежности измерений датчик момента сопротивления повороту содержит два датчика Холла.

Поскольку датчики этого типа легко интегрируются в системы рулевого управления без значительного увеличения их размеров, они активно используются ведущими производителями рулевых систем, такими как Bosch, ZF, Nexteer и JTEKT, а также в автомобилях брендов Volkswagen, Renault, Toyota, Hyundai и многих других. Они идеально подходят для массовых и премиальных автомобилей, обеспечивая надежность и точность в компактном и экономичном исполнении.

Индуктивные

Работают на похожем принципе изменения индуктивности, которое вызывает перемещение металлического объекта. Используют катушки индуктивности, которые создают переменное магнитное поле. Но в отличие от датчиков Холла, где изменения угла или усилия создают вариации в магнитном поле, которые преобразуются в электрический сигнал, здесь сигнал измеряется на основе электромагнитного отклика. Индуктивные датчики более устойчивы к сильным вибрациям и помехам и менее подвержены влиянию температуры и внешних электромагнитных полей.

Такие датчики крутящего момента чаще всего используются в автомобилях массового и бюджетного сегмента, где важны низкая стоимость, надежность и простота конструкции. Их интегрируют в свои системы рулевого управления ведущие производители автоагрегатов, такие, как:

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

Активно применяют эту технологию в своих системах в автомобилях PSA Group, в системах рулевого управления моделей массового сегмента Volkswagen: Polo, SEAT Ibiza, Skoda Rapid, в бюджетных системах EPS для автомобилей Toyota и других японских брендов.

Магниторезистивные

Принцип их действия, как и двух предыдущих типов, связан с магнитным полем, но тут используются тонкопленочные магниторезистивные элементы, которые фиксируют изменения сопротивления при изменении магнитного поля. Это позволяет более точно измерять небольшие изменения крутящего момента. Магниторезистивные датчики компактнее, чем индуктивные или датчики Холла, более чувствительны и точны.

Системы с магниторезистивными датчиками используются как в массовых, так и в премиальных автомобилях, в колоночных, реечных и валовых конфигурациях электроусилителя руля (EPS). В частности, в машинах VAG (Volkswagen, Audi, Skoda и SEAT) магниторезистивные датчики используются в системах электроусилителя руля, разработанных Bosch и ZF. GM использует магниторезистивные датчики в системах рулевого управления своей разработки (например, для Chevrolet Malibu и GMC Terrain) и в системах, поставляемых Nexteer EPS. Используют такие датчики и другие производители: Toyota, Hyundai/Kia, BMW, Volvo Trucks.

Тензометрические

Используют принцип измерения механической деформации с помощью тензорезисторов (тензодатчиков), прикрепленных, как правило, к валу рулевого колеса. Когда прикладывается крутящий момент, вал деформируется, что вызывает изменение электрического сопротивления тензорезисторов. Не подвержены влияниям магнитным полей, зато чувствительны к механическим повреждениям и могут страдать от температурных воздействий, загрязнений и коррозии. При этом обеспечивают высокую линейность сигнала и вообще очень точны, так как измеряют механическую деформацию напрямую.

Применяются в премиальных, спортивных и грузовых автомобилях, а также в системах автономного вождения и ADAS. Ведущие производители компонентов, такие как ZF, Bosch и JTEKT, интегрируют эти датчики в свои рулевые системы (Servotronic, Active Steering, Direct-Steer и прочих) для достижения высокой точности и надежности.

Оптические

В них для определения угла или силы поворота используют светодиоды и фотодатчики. Они фиксируют изменение светового потока при движении механических частей.

Но оптические датчики крутящего момента применяются в автомобильной промышленности реже, чем другие типы. Причина в том, что несмотря на высокую точность измерения, они слишком чувствительны к загрязнениям, пыли, влажности и другим внешним факторам. Их использование оправдано в определенных категориях автомобилей:

• гибриды (Nissan Leaf и Toyota Prius первых поколений);
• спорткары (Porsche 911, Audi TT);
• автономные автомобили (Waymo (Google Car), ранние прототипы Tesla);
• коммерческий транспорт (автобусы Volvo).

Кроме чувствительности, ограниченность применения этого типа датчиков обусловлена дороговизной производства и обслуживания, а также сопоставимой точностью при меньшей уязвимости у тензометрических приборов и датчиков Холла.

Ремонт и обслуживание датчиков крутящего момента

Причинами поломок датчиков могут стать:

• деформация рулевого вала или других узлов, связанных с датчиком;
• повреждение проводов или разъемов, соединяющих датчик с блоком управления;
• сбой программного обеспечения;
• внешние факторы: попадание воды, грязи или коррозия контактов.

Все это может привести к неисправностям приборов, о которых можно узнать по нескольким симптомам:

1. Изменение поведения ЭУР. Руль может стать как слишком тяжелым, так и слишком легким.
2. Шумы и вибрации. Могут появляться посторонние звуки (например, жужжание или щелчки) при вращении руля на месте или при движении.
3. Потеря усилия возврата. При выходе из поворота руль может не возвращаться в центральное положение автоматически.
4. Ошибки в работе систем помощи водителю. Системы, зависящие от датчика крутящего момента (например, адаптивный круиз-контроль, удержание полосы), могут работать некорректно или отключаться.
5. Пиктограмма в виде руля на панели приборов. Она может быть желтого/оранжевого, если проблема носит предупреждающий характер, или красного цвета, если в ЭУР присутствуют серьезные проблемы. На некоторых авто, где система управления электроусилителем интегрирована в общий блок управления, также загорается индикатор Check Engine.

Эта индикация – самый верный признак того, что водителю нужно обратиться с целью диагностики и ремонта в профильную мастерскую. Обычно при подключении диагностического сканера фиксируются следующие ошибки:

• C1500 – Сигнал датчика крутящего момента отсутствует.
• C1524 – Некорректный сигнал датчика крутящего момента.
• U0126 – Потеря связи с модулем рулевого управления.

Хотя производители автомобилей и автокомпонентов часто советуют заменять рулевой механизм в сборе при выходе из строя датчика крутящего момента, в большинстве случаев этого можно избежать. Профильные станции обслуживания автомобилей, например, компания STS, имеют богатый опыт восстановления рулевых механизмов любой степени сложности.

Для восстановления работоспособности датчик момента необходимо демонтировать его с рулевой рейки и разобрать. Если в результате осмотра на подвижных частях обнаруживаются только следы износа, датчик момента можно собрать и установить на рейку, а затем откалибровать.

Но если это не поможет, приобретать новый агрегат все равно не придется. В компании STS всегда есть в наличии восстановленные, полностью работоспособные рулевые рейки нашего собственного бренда для любых популярных моделей автомобилей. Наши клиенты получают отремонтированный агрегат, который ничем не уступает заводской рейке, а в плане дальнейшей ремонтопригодности даже превосходит ее, по цене, гораздо более низкой, чем у новой детали.