Види датчиків крутного моменту рульових рейок ЕПК

Про те, наскільки важливо мати не тільки справний, але ще й легкий рульовий механізм, говорить одна цікава історія. У 70-ті роки минулого століття, коли СРСР покидав В'єтнам, як прощальний подарунок він залишив там багато техніки, зокрема, автомобілів. Змученим війною і голодом в'єтнамським водіям доводилося брати з собою помічників - прокрутити самотужки кермо вантажних «ЗІСів» і «ГАЗів» було дуже складно. Однак конструкція автомобіля постійно вдосконалюється. Сьогодні крутити кермо допомагають гідравлічні та електричні підсилювачі керма.

Будова ЕПК

На відміну від живих асистентів, просити електропідсилювач керма про допомогу або навіть активувати його кнопкою не потрібно. Блок управління ЕПК завжди знає, яке зусилля потрібно докласти на шток рейки - дані про це йому надає датчик крутного моменту рульового вала. Інша його назва - датчик моменту опору повороту, і він є основним вимірювальним приладом рульової системи. У деяких конструкціях він може бути об'єднаний з датчиком кута повороту рульового колеса, що не змінює його основної функції.

Найчастіше датчик моменту вбудований у рульову колонку. Її рульовий вал і вал-шестерня пов'язані один з одним торсіоном - стрижнем, що має крутильну жорсткість. Якраз на вимірюванні кута закручування торсіона, який пропорційний крутному моменту на кермі, і побудований принцип дії датчика. Оскільки цей кут дуже невеликий, діапазон вимірювання датчика становить лише 4-5° в кожну сторону. Це висуває підвищені вимоги як до точності вимірювання приладу, так і до надійності та якості його виготовлення. 

Різновиди датчиків

Існує безліч варіантів виконання вузлів електропідсилювача керма. У тому числі розрізняють кілька різновидів датчиків крутного моменту. Основними з них є:

Контактні (резистивні)

Принцип їхньої роботи ґрунтується на зміні електричного опору під час деформації датчика під дією крутного моменту. З цією метою використовуються потенціометри або інші елементи зі змінним опором. Через простоту конструкції та низьку вартість такі датчики крутного моменту (найчастіше резистивні потенціометричні) використовували переважно в ранніх моделях автомобілів з електричними рульовими рейками. Це, наприклад, перші покоління популярних бюджетних машин

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

а також авто російського виробництва. З розвитком технологій більшість автовиробників поступово перейшли на більш сучасні безконтактні рішення.

Датчики Холла

Безконтактний датчик крутного моменту, в основу якого закладено ефект, відкритий фізиком Едвіном Холом, вважають найпоширенішим. Вони використовують явління, за якого в провіднику або напівпровіднику зі струмом виникає поперечна напруга, якщо він перебуває в магнітному полі. Магніт встановлюється на рульовий вал, а датчик фіксує зміни магнітного потоку під час впливу крутного моменту. Часто з метою збільшення чутливості та підвищення надійності вимірювань датчик моменту опору повороту містить два датчики Холла.

Оскільки датчики цього типу легко інтегруються в системи рульового управління без значного збільшення їхніх розмірів, їх активно використовують провідні виробники рульових систем, такі як Bosch, ZF, Nexteer і JTEKT, а також в автомобілях брендів Volkswagen, Renault, Toyota, Hyundai і багатьох інших. Вони ідеально підходять для масових і преміальних автомобілів, забезпечуючи надійність і точність у компактному й економічному виконанні.

Індуктивні

Працюють на схожому принципі зміни індуктивності, яка викликає переміщення металевого об'єкта. Використовують котушки індуктивності, які створюють змінне магнітне поле. Але на відміну від датчиків Холла, де зміни кута або зусилля створюють варіації в магнітному полі, які перетворюються в електричний сигнал, тут сигнал вимірюється на основі електромагнітного відгуку. Індуктивні датчики більш стійкі до сильних вібрацій і перешкод і менш схильні до впливу температури і зовнішніх електромагнітних полів.

Такі датчики крутного моменту найчастіше використовують в автомобілях масового і бюджетного сегмента, де важливі низька вартість, надійність і простота конструкції. Їх інтегрують у свої системи рульового управління провідні виробники автоагрегатів, такі, як:

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

Активно застосовують цю технологію у своїх системах в автомобілях PSA Group, у системах рульового управління моделей масового сегмента Volkswagen: Polo, SEAT Ibiza, Skoda Rapid, у бюджетних системах EPS для автомобілів Toyota та інших японських брендів.

Магніторезистивні

Принцип їхньої дії, як і двох попередніх типів, пов'язаний з магнітним полем, проте тут використовуються тонкоплівкові магніторезистивні елементи, які фіксують зміни опору при зміні магнітного поля. Це дає змогу точніше вимірювати невеликі зміни крутного моменту. Магніторезистивні датчики компактніші, ніж індуктивні або датчики Холла, чутливіші й точніші.

Системи з магніторезистивними датчиками використовуються як у масових, так і в преміальних автомобілях, у колонкових, рейкових і валових конфігураціях електропідсилювача керма (EPS). Зокрема, в машинах VAG (Volkswagen, Audi, Skoda і SEAT) магніторезистивні датчики використовуються в системах електропідсилювача керма, розроблених Bosch і ZF. GM використовує магніторезистивні датчики в системах рульового управління своєї розробки (наприклад, для Chevrolet Malibu і GMC Terrain) і в системах, що поставляються Nexteer EPS. Використовують такі датчики й інші виробники: Toyota, Hyundai/Kia, BMW, Volvo Trucks.

Тензометричні

Використовують принцип вимірювання механічної деформації за допомогою тензорезисторів (тензодатчиків), прикріплених, як правило, до валу рульового колеса. Коли прикладається крутний момент, вал деформується, що викликає зміну електричного опору тензорезисторів. Не схильні до впливів магнітних полів, зате чутливі до механічних пошкоджень і можуть страждати від температурних впливів, забруднень і корозії. При цьому забезпечують високу лінійність сигналу і взагалі дуже точні, оскільки вимірюють механічну деформацію безпосередньо.

Застосовуються в преміальних, спортивних і вантажних автомобілях, а також у системах автономного водіння і ADAS. Провідні виробники компонентів, як-от ZF, Bosch і JTEKT, інтегрують ці датчики у свої кермові системи (Servotronic, Active Steering, Direct-Steer та інших) для досягнення високої точності та надійності.

Оптичні

У них для визначення кута або сили повороту використовують світлодіоди і фотодатчики. Вони фіксують зміну світлового потоку під час руху механічних частин.

Але оптичні датчики крутного моменту застосовуються в автомобільній промисловості рідше, ніж інші типи. Причина в тому, що незважаючи на високу точність вимірювання, вони надто чутливі до забруднень, пилу, вологості та інших зовнішніх чинників. Їх використання виправдане в певних категоріях автомобілів:

• гібриди (Nissan Leaf і Toyota Prius перших поколінь);
• спорткари (Porsche 911, Audi TT);
• автономні автомобілі (Waymo (Google Car), ранні прототипи Tesla);
• комерційний транспорт (автобуси Volvo).

Крім чутливості, обмеженість застосування цього типу датчиків обумовлена високою вартістю виробництва та обслуговування, а також порівнянною точністю за меншої вразливості у тензометричних приладів і датчиків Холла.

Ремонт і обслуговування датчиків крутного моменту

Причинами поломок датчиків можуть стати:

• деформація рульового вала або інших вузлів, пов'язаних із датчиком;
• пошкодження проводів або роз'ємів, що з'єднують датчик із блоком керування;
• збій програмного забезпечення;
• зовнішні чинники: потрапляння води, бруду або корозія контактів.

Усе це може призвести до несправностей приладів, про які можна дізнатися за кількома симптомами:

1. Зміна поведінки ЕПК. Кермо може стати як занадто важким, так і занадто легким.
2. Шуми і вібрації. Можуть з'являтися сторонні звуки (наприклад, дзижчання або клацання) під час обертання керма на місці або під час руху.
3. Втрата зусилля повернення. При виході з повороту кермо може не повертатися в центральне положення автоматично.
4. Помилки в роботі систем допомоги водієві. Системи, що залежать від датчика крутного моменту (наприклад, адаптивний круїз-контроль, утримання смуги), можуть працювати некоректно або відключатися.
5. Піктограма у вигляді керма на панелі приладів. Вона може бути жовтого/помаранчевого, якщо проблема має попереджувальний характер, або червоного кольору, якщо в ЕПК присутні серйозні проблеми. На деяких авто, де система управління електропідсилювачем інтегрована в загальний блок управління, також загоряється індикатор Check Engine.

Ця індикація - найвірніша ознака того, що водієві потрібно звернутися з метою діагностики та ремонту в профільну майстерню. Зазвичай під час під'єднання діагностичного сканера фіксуються такі помилки:

• C1500 - Сигнал датчика крутного моменту відсутній.
• C1524 - Некоректний сигнал датчика крутного моменту.
• U0126 - Втрата зв'язку з модулем рульового керування.

Попри те, що виробники автомобілів та автокомпонентів нерідко радять замінювати кермовий механізм у зборі у разі виходу з ладу датчика крутного моменту, у більшості випадків цього можна уникнути. Профільні станції обслуговування автомобілів, наприклад, компанія STS, мають багатий досвід відновлення рульових механізмів будь-якого ступеня складності.

Для відновлення працездатності датчика моменту необхідно демонтувати його з рульової рейки і розібрати. Якщо в результаті огляду на рухомих частинах виявляються лише сліди зносу, датчик моменту можна зібрати і встановити на рейку, а згодом відкалібрувати.

Втім, якщо це не допоможе, купувати новий агрегат все одно не доведеться. У компанії STS завжди є в наявності відновлені, повністю працездатні рульові рейки нашого власного бренду для будь-яких популярних моделей автомобілів. Наші клієнти отримують відремонтований агрегат, який нічим не поступається заводській рейці, а в плані подальшої ремонтопридатності навіть перевершує її, за ціною, набагато нижчою, ніж у нової деталі.