Konstrukcja układu kierowniczego pojazdu była stale ulepszana wraz z innymi jego komponentami. Wraz ze wzrostem prędkości i masy pojazdów, a także wzrostem ich liczby, kwestia wspomagania kierownicy stała się istotna. Mięśnie kierowcy nie były już w stanie poradzić sobie z manewrowaniem i parkowaniem, dlatego wspomaganie kierownicy stało się od dawna standardowym wyposażeniem w autach osobowych oraz maszynach roboczych, takich jak koparko-ładowarki.
Wspomaganie układu kierowniczego to system, który ma ułatwić kierowcy skręcanie oraz utrzymanie właściwego toru jazdy. Jest szczególnie przydatny podczas parkowania oraz zawracania, polegając na tym, że siła, z jaką kierowca obraca kierownicą, jest wykorzystywana nie tyle do pokonania oporów skrętu kół, ile do uruchomienia układu sterującego siłownikiem, który działa na drążek podłużny lub poprzeczny układu zwrotniczego.
Rola Wspomagania Układu Kierowniczego
Zadaniem układu kierowniczego jest sterowanie kołami pojazdu według woli kierowcy. Dzięki niemu można bezpiecznie skręcać i utrzymać prawidłowy tor jazdy. Budowa układu kierowniczego, mimo że poszczególne elementy są takie same, różni się w zależności od marki oraz modelu pojazdu. Standardowo układ kierowniczy składa się z:
- kierownicy;
- kolumny kierowniczej, połączonej z kołem kierownicy i przekładnią kierowniczą oraz jej obudową;
- przekładni, zwanej również maglownicą;
- ramienia kierowniczego, które bierze udział w przenoszeniu obrotu kierownicy na koła skrętne;
- drążków kierowniczych odpowiadających za to, w jakim stopniu koła się skręcą.
Ewolucja Systemów Wspomagania Kierownicy
Zasadniczo wyróżnia się trzy rodzaje układów wspomagania kierownicy: hydrauliczny, elektryczny oraz elektrohydrauliczny. Ewolucja systemów wspomagania kierownicy była odpowiedzią na potrzebę zwiększenia komfortu i wydajności.
Hydrauliczne Wspomaganie Kierownicy
Pierwszy system wspomagania kierownicy był hydrauliczny i powstał w latach 50. XX w. Zadebiutował w Chryslerze Imperial i do dziś jest popularnym rozwiązaniem. Układ hydrauliczny wspomagania kierownicy obejmuje pompę, regulator ciśnienia płynu roboczego, zbiornik wyrównawczy oraz zawór sterujący (suwak). Dodatkowo w układzie wspomagania kierownicy mogą być zainstalowane filtr i/lub chłodnica płynu hydraulicznego.
Najważniejszym elementem układu hydraulicznego jest pompa (zwana również serwopompą lub pompą hydrauliczną), napędzana bezpośrednio przez wał korbowy silnika za pomocą paska klinowego oraz płyn. Wewnątrz pompy znajduje się wirnik, który obracając się na łopatkach, wytwarza ciśnienie w układzie. Płyn pod ciśnieniem jest wtłaczany do maglownicy. Wysokość ciśnienia zależy od pozycji kół. Podczas skrętu zawór w przekładni przekierowuje część płynu do jednej z komór (lewej lub prawej), wtedy ciśnienie w tym miejscu rośnie, a płyn przepycha tłok, który ułatwia skręcenie kół.
Początkowe układy hydrauliczne miały jednak znaczące wady, z których główne to zależność wydajności pompy od prędkości obrotowej silnika i stałe zużycie części mocy na obracanie pompy hydraulicznej, nawet jeśli pojazd jedzie w linii prostej. To skutkowało zwiększonym zużyciem paliwa i emisją spalin, szybszym zużyciem pompy oraz obniżoną jakością płynu.
Elektryczne Wspomaganie Kierownicy (EPS)
Elektryczne wspomaganie kierownicy, w skrócie EPS (Electric Power Steering), to mechanizm znacznie lżejszy i mniejszy niż hydrauliczny. Nie zwiększa "spalania", ponieważ działa tylko podczas poruszania kierownicą, a energii dostarcza mu alternator. Układ składa się z czterech podzespołów:
- urządzenia sterującego;
- silnika elektrycznego bezszczotkowego;
- czujnika momentu obrotowego;
- czujnika prędkości jazdy, znajdującego się w skrzyni biegów.
EPS można zamontować na listwie zębatej, na kolumnie kierownicy albo na obudowie zębnika. Sercem układu jest urządzenie sterujące, które zbiera informacje z czujników, m.in. o położeniu kierownicy oraz prędkości jazdy, i na tej podstawie steruje pracą silnika elektrycznego, ustalając kierunek jego pracy i moc wspomagania kierownicy. Układ elektryczny umożliwia zastosowanie w pojeździe dodatkowych zaawansowanych systemów wsparcia kierowcy, np. asystenta automatycznego parkowania.
Elektrohydrauliczne Wspomaganie Kierownicy (EHPS)
Układ elektrohydrauliczny jest połączeniem systemu hydraulicznego i elektrycznego. W nim rolę pompy wspomagania przejmuje silnik elektryczny, który odpowiada za wytworzenie ciśnienia w układzie. Pozwala to na eliminację strat energii oraz zmniejszenie masy układu, a także rozwiązuje problem stałych obrotów pompy i jej zależności od silnika spalinowego. Początkowo były to pompy z silnikami typu kolektorowego. Później wyposażono je w system łagodnego rozruchu, a następnie w jednostkę sterującą z możliwościami diagnostycznymi. Dalsze udoskonalenia doprowadziły do wprowadzenia bezszczotkowych silników elektrycznych z magnesami trwałymi (BLDC).
Budowa i Zasada Działania Elektrohydraulicznego Wspomagania Kierownicy (EHPS)
Zasada działania wspomagania hydraulicznego pozostała praktycznie niezmieniona wraz z pojawieniem się silników elektrycznych i sterującej nimi elektroniki. Obrót kierownicy nadal jest wzmacniany przez ciśnienie płynu roboczego, choć teraz jest on wytwarzany przez pompę z niezależnym napędem elektrycznym od silnika spalinowego.
W korpusie obrotowej szpuli znajduje się czujnik wspomagania kierownicy, który przesyła dane o prędkości obrotowej kierownicy do elektronicznej jednostki sterującej, aby mogła ona dostosować prędkość pompy.
Szczegółowa Konstrukcja Pompy Wspomagania
Konstrukcję pompy wspomagania można podzielić na dwie części: hydrauliczną i elektryczną. W większości pojazdów są one połączone w jedną jednostkę, która składa się z:
- modułu hydraulicznego z pompą zębatą i zaworem redukcyjnym;
- silnika elektrycznego;
- zbiornika płynu roboczego;
- jednostki sterującej wspomaganiem układu kierowniczego.
Pompa jest połączona z mechanizmem kierowniczym za pomocą specjalnych węży spustowych. Podobnie jak w konwencjonalnym układzie hydraulicznym, przewód spustowy jest podłączony do zbiornika wyrównawczego. W komorze silnika pompa jest przymocowana do wspornika, który jest zwykle przymocowany do elementu nośnego nadwozia lub ramy za pomocą sprężystych elementów gumowych.
Elementy Tłoczące Pompy
Pomimo faktu, że elementy tłoczące pompy wspomagania układu kierowniczego można podzielić na trzy typy: przekładnia, tłok i łopatkowe, najczęściej w nowoczesnych pojazdach instalowane są pompy pierwszego typu - przekładniowe. Powodem jest stosunkowo prosta konstrukcja, wysoka sprawność i wydajność. Jednakże w opisie zasady działania często odnosi się do pomp łopatkowych.
Zasada Działania Pompy Łopatkowej
Pompa wspomagania jest pompą wyporową, przeznaczoną do zasysania i tłoczenia. W pompie znajduje się wirnik ustawiony niecentrycznie wobec komory pompy. W tym wirniku jest osadzona jedna lub kilka ruchomych elementów przesuwnych (łopatek). Wał pompy, a tym samym wirnik, jest wprawiany w ruch obrotowy za pomocą napędu pasowego (w przypadku pomp mechanicznych) lub silnika elektrycznego (w EHPS).
Ruchome łopatki są dociskane przez siłę odśrodkową i wytwarzające się ciśnienie do wewnętrznej ściany komory pompy i uszczelniają przestrzeń międzyłopatkową. Olej hydrauliczny jest wtedy przemieszczany w przestrzeniach utworzonych przez ścianę obudowy i dwie łopatki od strony ssawnej do strony tłocznej. Ta zmiana objętości przestrzeni wytwarza podciśnienie, co powoduje zasysanie oleju ze zbiornika wyrównawczego przez układ przewodów hydraulicznych.
Obracające się koła zębate w pompach przekładniowych zasysają płyn do przestrzeni między zębami i przenoszą go ze strefy niskiego ciśnienia do strefy wysokiego ciśnienia, wtłaczając go w ten sposób do sieci. Ponieważ praktycznie nie ma szczeliny między korpusem a końcówkami zębów, zapewnione jest dobre uszczelnienie, uzupełnione i wzmocnione po bokach płytami lub tulejami, które działają również jako łożyska dla kół zębatych.
Przy uruchomionym silniku i wyprostowanej kierownicy pompa stale tłoczy olej hydrauliczny przez układ kierowniczy z powrotem do zbiornika wyrównawczego. Podczas wykonywania ruchu kierownicą przepływ jest kierowany do obszaru roboczego układu wspomagania kierownicy, a w układzie wytwarza się ciśnienie. Przy pełnym wychyleniu kierownicy ruch powrotny jest blokowany i osiągane jest maksymalne ciśnienie we wspomaganiu układu kierowniczego. Przy pompie znajdziemy zawór, który odpowiada za odpowiednie utrzymanie ciśnienia (niektóre modele pojazdów przy wyższych prędkościach mają mniejsze ciśnienie, co powoduje bardziej twardy charakter jazdy, ułatwiając czucie pojazdu).
Część hydrauliczna pompy nie wymaga konserwacji. Jej części są smarowane płynem roboczym podczas pracy.
Część Elektryczna Pompy Wspomagania
Część elektryczna pompy obejmuje silniki elektryczne napędzające pompę i elektronikę, która nimi steruje. W zależności od modelu pojazdu, typu silnika i innych czynników, może to być jednostka sterująca, mikrokontroler lub przekaźnik.
Rodzaje Silników Elektrycznych w Pompach Wspomagania
W elektrycznych i elektrohydraulicznych układach wspomagania kierownicy stosowane są dwa rodzaje silników elektrycznych:
- Silniki kolektorowe (szczotkowe);
- Silniki bezszczotkowe (BLDC).
Silniki kolektorowe były instalowane wcześniej i mają ograniczone funkcje. Nie można ich jednak uznać za jednoznacznie gorsze, ponieważ każdy z tych dwóch typów silników ma swoje wady i zalety.
Silnik Kolektorowy (Szczotkowy)
Zalety silników kolektorowych to:
- Łatwość produkcji i konserwacji;
- Łatwość kontroli prędkości;
- Niski koszt w porównaniu do BLDC.
Wady obejmują:
- Konieczność konserwacji zespołu szczotka-kolektor;
- Niski moment obrotowy przy rozruchu;
- Niższa sprawność.
Silnik Bezszczotkowy (BLDC)
Zalety silników bezszczotkowych (BLDC) to:
- Wysoka wydajność i moment obrotowy;
- Brak szczotek narażonych na tarcie i zużycie;
- Wysoka niezawodność i długa żywotność;
- Możliwość płynnej regulacji prędkości pompy.
Słabe strony silników BLDC to:
- Wysoki koszt w porównaniu do silników szczotkowych ze względu na zastosowanie drogich magnesów;
- Bardziej złożony elektroniczny system sterowania.
Metody Sterowania Elektroniką Pompy
Istnieje wiele sposobów sterowania elektroniką pompy, od najprostszych po najbardziej zaawansowane:
- Podawanie prądu do zacisku (najprostszy typ);
- Sterowanie za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM) w oparciu o prędkość obrotową silnika i czujniki prędkości pojazdu;
- Poprzez interfejs diagnostyczny K-line (używany we wczesnych generacjach jednostek EHPC);
- Magistrala CAN jest najnowocześniejszą metodą stosowaną w pompach zarówno do sterowania, jak i diagnostyki.
Płyn Hydrauliczny w Układzie Wspomagania
Płyn do wspomagania kierownicy jest kluczowy dla prawidłowego działania układu. Jego kolor, w zależności od wytycznych producenta pojazdu, powinien mieć bursztynowe lub czerwonawe/różowe zabarwienie. Brązowawe lub czarne zabarwienie wskazuje na silne zanieczyszczenie spowodowane ścieraniem w układzie kierowniczym. Należy pamiętać, że płyny o tym samym kolorze mogą mieć zupełnie inny skład, dlatego nie wolno mieszać ze sobą różnych typów.
Rodzaje Płynów i Wybór
Płyny do wspomagania, tak samo jak te do silnika, dzielą się ze względu na skład na:
- mineralne;
- syntetyczne;
- półsyntetyczne;
- uszczelniające.
Za najlepsze uznaje się syntetyczne. Są one wprawdzie droższe od innych, ale mają lepsze parametry techniczne: niską lepkość i odporność na działanie ekstremalnych temperatur.
Z kolei oleje mineralne, produkowane na bazie ropy naftowej, choć są tanie i nie wpływają negatywnie na gumowe elementy układu, to są podatne na pienienie oraz mają krótki czas użytkowania. Stosuje się je przeważnie w starszych pojazdach.
Natomiast płyny uszczelniające zwykle wlewa się do układów, w których doszło do niewielkich wycieków. W ten sposób można uniknąć drogiej naprawy albo wymiany całego systemu.
Rodzaj płynu do wspomagania kierownicy powinien być zawsze zgodny z zaleceniami producenta pojazdu.
Typowe Usterki i Konserwacja Pompy Wspomagania
O awarii układu kierowniczego najczęściej informuje paląca się na czerwono albo pomarańczowo kontrolka wspomagania kierownicy przedstawiająca kierownicę z wykrzyknikiem. Kierowca będzie też wyczuwał:
- duży opór kierownicy, czasem tylko przy skręcie w jedną stronę;
- samoczynne szarpnięcia kierownicą;
- chwilowe zaniki wspomagania kierownicy;
- hałas podczas skręcania;
- drżenie kierownicy;
- aktywowanie wspomagania z opóźnieniem, po mocniejszym przekręceniu kierownicy.
Awarie Mechaniczne
Awarie jednostki pompującej można podzielić na mechaniczne i elektryczne. Z pierwszej grupy najczęstsze są:
- wyciek płynu roboczego spowodowany awarią uszczelnienia lub uszkodzeniem węży i rur w linii;
- zanieczyszczenie zaworu redukującego ciśnienie;
- zużycie kół zębatych.
W pierwszym przypadku usterki można rozpoznać po plamach oleju pod pojazdem, a w pozostałych po spadku ciśnienia w układzie i zaciśniętej kierownicy.
Jeśli nie działa wspomaganie kierownicy hydrauliczne, przyczyny awarii zwykle związane są z płynem do wspomagania. Najczęściej są to:
- zbyt niski poziom płynu w układzie hydraulicznym;
- zapowietrzenie układu hydraulicznego;
- mała wydajność pracy pompy wspomagania;
- załamane albo zagniecenie jednego z przewodów z płynem;
- przetarcie się przewodów i wyciek płynu.
Inną usterką układu jest pęknięcie paska napędzającego pompę wspomagania. Przy rozwiązywaniu problemów z mechanicznie napędzanymi pompami wspomagania pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, jest pasek klinowy. W wielu przypadkach uszkodzony lub niewystarczająco naprężony pasek klinowy może być przyczyną wadliwego działania układu wspomagania kierownicy. Następnie należy sprawdzić poziom i stan oleju hydraulicznego, a w razie potrzeby uzupełnić lub wymienić zgodnie z instrukcjami producenta.
Awarie Elektryczne
Awarie elektryczne są bardziej zróżnicowane. Są to:
- zużycie lub uszkodzenie części silnika elektrycznego: szczotek, uzwojeń, kolektora;
- awaria elektroniki: płyta sterująca, tranzystory polowe;
- awaria czujników;
- brak komunikacji z jednostką sterującą lub płytą sterującą.
Częstymi przyczynami są korozja styków lub części, a także zwarcia związane z przenikaniem płynu roboczego do jednostki elektronicznej. Z kolei w elektrycznym wspomaganiu kierownicy najczęściej dochodzi do przegrzania układu wskutek bardzo intensywnej eksploatacji oraz awarii czujników lub komputera sterującego. Czasem źródłem problemów jest usterka alternatora albo rozładowany akumulator.
Rozwiązywanie Problemów i Naprawa
Jeżeli dojdzie do awarii układu wspomagania kierownicy w trakcie jazdy, należy bezpiecznie się zatrzymać. Po wyłączeniu silnika i odczekaniu, aż się ochłodzi, można sprawdzić poziom płynu w zbiorniczku wyrównawczym oraz czy nie przepalił się bezpiecznik. Jeśli jest za mało płynu, należy go uzupełnić, a ewentualny uszkodzony bezpiecznik wymienić. Jeśli zauważymy pod pojazdem kałużę płynu, koniecznie należy udać się do warsztatu i zlokalizować wyciek.
W elektronicznym wspomaganiu kierownicy usterki można zlokalizować poprzez podpięcie układu do komputera diagnostycznego.
Chociaż producenci często zalecają wymianę całego urządzenia w przypadku awarii, pompy układu wspomagania kierownicy można naprawić. Najważniejsze jest skorzystanie z pomocy wykwalifikowanych rzemieślników. Ze względu na ingerencję w układ kierowniczy wymiana pompy może być dokonywana wyłącznie przez przeszkolony personel. Przed zamontowaniem pompy należy sprawdzić hydrauliczny układ kierowniczy pod kątem zanieczyszczeń i w razie potrzeby przepłukać go i oczyścić. Przed zamontowaniem nowej pompy należy porównać starą i nową pompę. Zamontować hydrauliczną pompę wspomagania zgodnie z instrukcjami naprawy producenta pojazdu. Podłączyć przewody hydrauliczne do pompy. Po zamontowaniu pompy, hydrauliczny układ kierowniczy musi zostać ponownie napełniony, odpowietrzony i sprawdzony pod kątem szczelności. Ze względu na ich zastosowanie w układzie kierowniczym pompa wspomagania to jeden z podzespołów odpowiadający za bezpieczeństwo.
Zdemontować przewody zasilania hydraulicznego i wysokiego ciśnienia na pompie. Zebrać i zutylizować wyciekający olej.