Elektrický posilovač řízení – princip činnosti, výhody a rozsah použití

Posilovač řízení v případě osobních automobilů zvyšuje jízdní komfort, ale na nákladních vozidlech se bez nich vůbec neobejdete, protože řízení auta bez takové výbavy je velmi obtížné. Zpočátku stroje používaly hydraulický zesilovač (posilovač řízení), ve kterém byla hlavní práce prováděna kapalinou pod tlakem.

Posilovač řízení se stal poměrně rozšířeným a stále se používá jak u osobních automobilů, tak u specializovaných zařízení. Tento typ posilovače řízení má ale konkurenta, a to docela vážného – elektrický posilovač řízení (zkr. EUR, EURU).

Tento typ si již získal poměrně širokou oblibu a mnoho automobilek jej montuje na své modely. Existuje tendence, že u určitých tříd automobilů ESD zcela nahrazuje posilovač řízení. Proto byste měli podrobně zvážit konstrukci elektrického posilovače řízení, konstrukční vlastnosti, typy, pozitivní a negativní aspekty.

Hlavní úkol elektrického posilovače řízení je stejný jako u hydraulického posilovače – vytváření dodatečné síly na mechanismus řízení, aby se usnadnilo řízení vozu. Kromě toho by provoz zesilovače neměl ovlivnit „zpětnou vazbu“, aby řidič neustále „cítil“ cestu.

Hlavní komponenty. Princip fungování EUR

Nejprve se podívejme na princip fungování elektrického zesilovače, protože je identický pro všechny existující typy. Také design používá stejné komponenty, ale jejich rozložení se může lišit.

Elektrický zesilovač se tedy skládá z:

• Pohon;
• Řídicí jednotka;
• Sledovací senzory.

Tyto komponenty jsou přítomny ve všech typech elektrického posilovače řízení. Také některé typy mohou navíc využívat informace z jiných snímačů – otáčky a otáčky klikového hřídele.

Pohon

Pohon vytváří sílu, čímž usnadňuje řízení vozu. Skládá se z elektromotoru a převodovky. Co se týče motoru, konstrukce EUR využívá asynchronní nebo synchronní elektrický výkon. Motor je bezkontaktního typu, což zajišťuje vysokou spolehlivost jednotky.

EUR používá několik typů přenosu síly (v závislosti na typu) – šnekový, ozubený nebo kuličkový šroub. Přenos síly akčního členu se často nazývá servopohon.

Řídící jednotka

Řídící jednotka „řídí“ provoz servomotoru. Je to on, kdo dodává elektrický proud (přesně definovaných parametrů) do elektromotoru a zajišťuje, že začne pracovat. Přiváděním impulsů do akčního členu se řídicí jednotka řídí údaji snímačů použitých při konstrukci elektrického posilovače řízení.

Senzory

Těchto senzorů je několik, každý sbírá určité informace a přenáší je do řídící jednotky. Hlavním z nich je snímač točivého momentu (nazývaný také snímač síly), který určuje, jakou silou řidič vynaložil na volant. Konstrukce také využívá snímač úhlu natočení volantu. Volitelně může EUR využívat i informace o rychlosti vozidla a rychlosti elektrárny.

Snímač točivého momentu na volantu

Síla řízení se měří pomocí torzní tyče instalované na hřídeli sloupku řízení. Hřídel se zase skládá ze dvou: vstupní a výstupní, vzájemně spojených torzní tyčí. Při použití síly se kroutí (čím větší síla působí, tím je úhel natočení silnější) a hřídele se vůči sobě pohybují.

Tento úhel „zachytí“ senzor, poté přenese přijatou informaci do řídicí jednotky. Na základě těchto dat blok vypočítá, jaký impuls je třeba aplikovat na akční člen. Tento snímač přímo určuje, jakou sílu bude zesilovač kompenzovat.

Za zmínku stojí, že samotná torzní tyč je pevně spojena s hřídelemi sloupku řízení a může se kroutit pouze pod určitým úhlem, takže i když ESD selže, kontrola nad vozem zůstává zachována.

Snímač úhlu natočení určuje, kterým směrem začal řidič otáčet volantem, a díky informacím z něj řídící jednotka nastavuje polaritu proudu přiváděného do elektromotoru. Často jsou snímače úhlu natočení a točivého momentu kombinovány do jednoho provedení. Oba jsou umístěny na sloupku řízení.

Příklad zařízení EUR se snímačem točivého momentu

Za zmínku stojí, že na elektromotoru je instalováno i zpětnovazební čidlo, díky kterému řídící jednotka řídí činnost akčního členu.

Použití dalších snímačů pro provoz EUR – rychlost pohybu a provozní parametry motoru – umožňuje přizpůsobit zesilovač konkrétním jízdním podmínkám.

Když znáte design, můžete pochopit princip fungování elektrického posilovače řízení. Senzory zahrnuté v návrhu neustále sledují polohu sloupku řízení. V případě odbočení registrují změny a předávají informace do řídící jednotky. To zase vypočítává parametry elektrického proudu a dodává je do elektromotoru. Při uvedení do provozu přes elektrický servopohon. motor vytváří sílu na mechanismus řízení. Obecně je vše docela jednoduché. Zde však stojí za zmínku, že pro různé podmínky existují různé režimy fungování EUR, ale o nich níže.

Typy a jejich vlastnosti

Jak bylo uvedeno, zařízení EUR používá stejné komponenty, ale s jiným rozložením. Všechny používané elektrické posilovače řízení lze rozdělit na:

• Zabudováno do sloupku řízení;
• Namontované na převodce řízení;

Zvláštností prvního typu je, že všechny komponenty jsou spojeny do jediné konstrukce nainstalované na sloupku řízení. Tento mechanismus využívá šnekový přenos síly působící na hřídel sloupku řízení (šnek je spojen s rotorem elektromotoru a ozubené kolo, se kterým je v záběru, je na hřídeli sloupku za torzní tyčí). Tento typ EUR je nejlevnější a lze jej nalézt na vozech v rozpočtovém segmentu.

EUR zabudovaný do sloupku řízení

Pokud jde o zesilovače instalované na mechanismu řízení, tyto typy mají samostatnou konstrukci – snímače jsou instalovány na sloupku, řídicí jednotka je umístěna někde v kabině a motor s převodovkou je umístěn na mechanismu řízení.

Kromě toho existuje několik typů EUR s následujícím rozložením:

• Se šnekovým převodem;
• Dvouhřídelový;
• Kulový šroub;

Se šnekovou převodovkou

Pokud vezmeme v úvahu obecnou koncepci elektrického posilovače řízení namontovaného na sloupku řízení a samostatného zesilovače se šnekovým převodem, pak rozdíl mezi nimi spočívá pouze ve skutečnosti, že ve druhé možnosti je ovladač umístěn v blízkosti mechanismu řízení, i když stále používá šnek s převodem (namontovaný na hřídeli sloupku řízení).

Šneková převodovka EUR

Dvouhřídelový EUR

Dvouhřídelový typ elektrického posilovače řízení byl od svého vzniku poměrně populární, ale nyní se používá mnohem méně často. Design tohoto typu zesilovače je velmi zajímavý: kloub „sloupec-mechanismus řízení“ zde zůstává nezměněn (stejně jako u vozu bez zesilovače).

Dvouhřídelový elektrický posilovač řízení od ZF

To znamená, že na konci hřídele sloupu je instalováno ozubené kolo, které je neustále v záběru s hřebenem. Ale v mechanismu řízení je na druhé straně pouzdra namontován pohon sestávající z elektromotoru, na jehož hřídeli je také nainstalováno ozubené kolo, které také spolupracuje s hřebenem. K tomu je třeba na hřeben nasadit další ozubený sektor.

Schéma činnosti dvouhřídelového systému elektrického posilovače řízení

Tento mechanismus funguje velmi jednoduše: řidič, stejně jako v autě bez zesilovače, pohybuje hřebenem přes ozubené kolo. Řídící jednotka zároveň zapíná elektromotor, který ji díky řazení pomáhá rozpohybovat.

Zesilovač kuličkového šroubu

Posledním typem je kuličkový šroub. U tohoto elektrického posilovače řízení se síla přenáší také na hřeben řízení, nikoli na hřídele sloupků. To se však provádí pomocí matice s kuličkovým šroubem. K přenosu síly se používají kuličky pohybující se po spirálové drážce vytvořené na stojanu.

Kulový šroub ESD s řemenovým pohonem

Princip činnosti tohoto typu elektrického posilovače řízení spočívá v tom, že síla vytvářená elektromotorem je přenášena na matici namontovanou na hřebenu (přes řemenový pohon) nebo přímo při zabudování elektromotoru do hřebenu řízení. V důsledku toho se matice začne otáčet, ale vzhledem ke konstrukci pouzdra se nemůže pohybovat v podélném směru. Proto otáčení matice vede k pohybu samotného hřebenu, čímž se vytváří dodatečná síla na mechanismus řízení.

EUR s kuličkovým šroubovým pohonem a vestavěným elektromotorem

Každý z těchto typů má určité výhody a nevýhody, které ovlivňují jejich rozšíření na automobilech. Například zařízení namontované na sloupku řízení je levné, ale jeho informační obsah je nízký. Pokud jde o kuličkový šroub ESD, je považován za nejlepší z hlediska informačního obsahu, ale je velmi náročný na údržbu a drahý.

Provozní režimy

Nyní o provozních režimech. Faktem je, že za různých jízdních podmínek je nutné vytvořit specifickou sílu. Některé z režimů jsou také zaměřeny na zvýšení komfortu.

Hlavní provozní režimy EUR lze uvést:

• Parkoviště;
• Jízda vysokou rychlostí;
• Řízení;
• Vraťte kolečka do střední polohy.

Parkování auta vyžaduje natáčení kol pod velkými úhly, při minimální rychlosti nebo dokonce stát na místě. Proto je síla na volant při parkování značná. Pro kompenzaci začne elektrický posilovač řízení pracovat za podmínek vytvoření maximální síly.

Ale při jízdě vysokou rychlostí, aby byl zajištěn dobrý informační obsah, aby řidič neztratil smysl pro vozovku, se ESD při manévrech prakticky nepoužívá nebo vytváří malou námahu.

Zajímavý je režim řízení. Podmínky jízdy autem mohou být velmi odlišné – vozovka je nakloněná v jednom směru, vliv cizích faktorů (boční vítr, různé tlaky v pneumatikách). Všechny vedou k tomu, že auto „řídí“ jedním směrem. Režim řízení zajišťuje přímý pohyb vozu a ESD to dělá bez účasti řidiče.

Nechybí ani režim pro vracení kol do střední polohy, kdy se sníží síla působící na volant. K tomu dochází po dokončení zatáčky, kdy řidič „pustí volant“, řídicí jednotka pomocí senzorů vypočítá požadovaný točivý moment a pomocí elektrického posilovače vrátí kola do střední polohy.

Popsané provozní režimy v EUR se aktivují automaticky (díky informacím z přídavných senzorů). Ale tento zesilovač také umožňuje řidiči nastavit své vlastní specifické režimy – „Sport“, „Normal“, „Comfort“.

Rozdíl mezi režimy spočívá ve změně reakce EUR na jízdní podmínky. Například v režimu „Sport“ je k dispozici více informací (volant je „těžší“) a v režimu „Komfort“ vytváří více úsilí, což usnadňuje řízení vozu. „Normální“ je průměrná poloha, ve které při nízkých rychlostech EUR pracuje na maximum a při vysokých rychlostech vytváří minimální sílu.

Výhody a nevýhody

Jako každé zařízení má elektrický posilovač řízení své kladné i záporné stránky. Mezi výhody EUR patří:

• Zvýšení účinnosti vozu. EUR „neubírá“ výkon elektrárny a také se aktivuje pouze při otočení volantu;
• Jednoduchost designu a nižší spotřeba kovu;
• Kompaktnost;
• Bez nutnosti údržby;
• bezhlučnost;
• Možnost nastavení provozního režimu.

Díky těmto výhodám se EUR rozšířilo. Významné jsou ale i negativní aspekty tohoto typu posilovače řízení. Mezi jeho hlavní nevýhody patří:

• Méně informačního obsahu (ve srovnání s posilovačem řízení);
• Možnost poruch v provozu elektronické části, což vede k nesprávné funkci;
• Všechny součásti jsou prakticky neopravitelné a náklady na opravu těch součástí, které lze ještě opravit, jsou velmi vysoké;
• Nízký výkon akčního členu, proto není možné ESD použít u řady automobilů (SUV, minibusy, nákladní vozy);
• Existuje možnost, že se posilovač řízení vypne při přehřátí elektromotoru (stává se při jízdě v obtížných podmínkách, kdy zesilovač pracuje nepřetržitě).

Obecně platí, že elektrický posilovač řízení je důstojným konkurentem posilovače řízení a používá se stále častěji, i když je nepravděpodobné, že by jej někdy dokázal zcela nahradit.