Czujniki w aktywnych układach kierowniczych
ZFAby móc przeprowadzić diagnostykę błędów w elektromechanicznych układach wspomagania kierownicy, warto znać funkcje różnych czujników. Czujniki te mierzą wartości fizyczne oraz przekształcają je na wartości elektryczne napięcia i prądu.
- Po wymianie przekładni kierowniczej konieczne jest przeprowadzenie dokładnej regulacji układu kierowniczego i wykonanie odpowiedniej konfiguracji w module sterującym.
- Na podstawie dwóch wartości pierścieni odczytanych przez 6 par fotokomórek jednostka sterująca oblicza kąt skrętu kierownicy.
- Sygnał prędkości obrotowej lub stan czujnika można sprawdzić za pomocą diagnostyki pokładowej i wyświetlić w bloku wartości mierzonych.
- Jednostka sterująca określa bieżące zapotrzebowanie na wspomaganie kierownicy, oblicza natężenie prądu wzbudzenia i steruje silnikiem na podstawie sygnałów wejściowych
Do zapewnienia prawidłowej pracy elektromechanicznego układu wspomagania potrzebne są informacje, które dotyczą kąta skrętu kierownicy, momentu obrotowego, prędkości obrotowej silnika i prędkości pojazdu. Czujniki, które przekazują takie informacje, zostaną przedstawione na przykładzie elektromechanicznego układu wspomagania kierownicy w samochodach marki Volkswagen (VW).
Mechanika układu kierowniczego
Elektromechaniczny układ wspomagania kierownicy wykorzystuje dwie zębatki, które przenoszą niezbędną siłę kierowania na zębnik w przekładni zębatej. Pierwsza z nich to zębatka kierownicy, odpowiedzialna za przenoszenie sił sterujących pochodzących od ruchu kierownicy. Druga to zębatka wspomagająca, przenosząca siły od silnika elektrycznego.
Przekładnia kierownicza składa się z czujnika momentu obrotowego kierownicy, drążka skrętnego, zębników układu kierowniczego i wspomagania, przekładni ślimakowej oraz silnika elektrycznego z jednostką sterującą. Głównym elementem elektromechanicznego układu wspomagania jest przekładnia kierownicza z dwoma zębnikami. Silnik elektryczny wraz z modułem sterującym i czujnikami wspomagania kierowania są zamontowane przy drugim zębniku. Dzięki temu istnieje mechaniczne połączenie między kierownicą a przekładnią. Takie rozwiązanie konstrukcyjne pozwala na mechaniczne kierowanie pojazdem w przypadku awarii silnika wspomagającego. Po wymianie przekładni kierowniczej konieczne jest przeprowadzenie dokładnej regulacji układu kierowniczego i wykonanie odpowiedniej konfiguracji w module sterującym, aby kąt skrętu „0 stopni” odpowiadał „jeździe na wprost”.
Czujnik kąta skrętu kierownicy
W starszych modelach aut VW czujnik kąta skrętu kierownicy znajduje się za pierścieniem ślizgowym poduszki powietrznej kierownicy. W nowszych modelach jest zintegrowany z przekładnią kierowniczą. Czujnik wykrywa kąt skrętu i prędkość obrotu kierownicą. Otrzymane wartości przekazuje w postaci kodów binarnych do magistrali danych, gdzie są dostępne również dla systemu stabilizacji toru jazdy ESP (Electronic Stability Program). System porównuje te wartości z prędkościami obrotowymi kół.
Moduł sterownika elektroniki kolumny kierownicy przetwarza dane z czujnika kąta skrętu kierownicy oraz dane z ESP dotyczące prędkości pojazdu itp. Na ich podstawie oblicza odpowiednie wspomaganie kierownicy. Praca układu monitorowana jest przez automatyczny system diagnostyczny. W przypadku awarii czujnika uruchamiany jest program awaryjny. Jeśli czujnik kąta skrętu ulegnie awarii, funkcje ESP będą ograniczone, a układ kierowniczy będzie sterowany za pomocą mapy charakterystyk. Wspomaganie kierownicy pozostanie aktywne, ale zapali się kontrolka K161.
Zasada działania czujnika
Podstawowymi elementami czujnika kąta obrotu kierownicy są:
- tarcza kodująca z dwoma pierścieniami kodującymi,
- para fotokomórek z pojedynczym źródłem światła
- i czujnikiem optycznym.
Tarcza kodująca składa się z zewnętrznego pierścienia absolutnego i wewnętrznego pierścienia inkrementalnego (przyrostowego). Pierścień inkrementalny jest podzielony na 5 segmentów, po 72° każdy, i jest odczytywany przez parę fotokomórek. W każdym segmencie pierścień jest perforowany, czyli ma otwory. Sekwencja jest zawsze taka sama na jednym pierścieniu i różna na drugim. Dzięki temu czujnik zawsze może określić, gdzie się znajduje. Na podstawie dwóch wartości pierścieni odczytanych przez 6 par fotokomórek jednostka sterująca oblicza kąt skrętu kierownicy. Sensor, poprzez sumowanie punktów położenia z dwóch pierścieni, jest zdolny do uzyskania 1044° kąta obrotu.
Źródło: Raven MediaIlustracja 1. Czujnik kąta skrętu: zależnie od tego, czy światło ze źródła światła pada na czujnik optyczny, czy zostaje zacienione przez pierścień inkrementalny, sygnał napięciowy wynosi 0 lub 1. Na podstawie liczby i kształtu impulsów napięcia jednostka sterująca oblicza kąt skrętu.
Ponadto, po przekroczeniu 360°, czujnik wykrywa, że został wykonany pełny obrót kierownicą. Konstrukcja przekładni kierownicy pozwala na 2,76 obrotu kierownicy, czyli 994°. Pomiar kąta opiera się zatem na zasadzie bariery świetlnej. Jeśli spojrzeć tylko na pierścień inkrementalny, widać, że źródło światła znajduje się po jednej stronie pierścienia, a czujnik optyczny po drugiej. Jeśli światło wpada przez szczelinę na czujnik, generowane jest napięcie sygnału. Jeśli natomiast pierścień kodujący zasłoni źródło światła, sygnał zostanie przerwany.
Czujnik momentu obrotowego kierownicy
Elektromechaniczny układ kierowniczy w samochodach VW określa moment obrotowy kierownicy za pomocą specjalnego czujnika umieszczonego bezpośrednio na zębniku drążka kierowniczego. Czujnik ma podwójną (redundantną) konstrukcję, aby zapewnić najwyższy możliwy poziom bezpieczeństwa, i działa zgodnie z zasadą magnetorezystancyjną. Magnetooporność to termin używany w odniesieniu do rezystorów, których przewodność zmienia się pod wpływem obecności pola magnetycznego.
W czujniku momentu obrotowego kolumna kierownicy i przekładnia kierownicza są połączone ze sobą za pomocą drążka skrętnego. Element łączący z kolumną kierownicy ma magnetyczne koło zamachowe, za pomocą którego uzyskuje się zmianę biegunowości. Odczyt biegunowości wykonywany jest za pomocą czujnika magnetorezystancyjnego, który jest przymocowany do elementu łączącego z przekładnią kierowniczą. W ten sposób powstaje drążek skrętny, który można skręcić pod obciążeniem wbrew sile działającej sprężyny. Gdy następuje obrót kierownicy, elementy łączące obracają się względem siebie zgodnie z występującym momentem obrotowym.
Ponieważ koło magnesowe również obraca się w stosunku do elementu czujnika, moment obrotowy kierownicy może być mierzony i wysyłany jako sygnał do jednostki sterującej. Jeśli nastąpi uszkodzenie czujnika, konieczna będzie również wymiana przekładni kierowniczej. Gdy układ diagnostyki wykryje usterkę czujnika, jednostka sterująca wyłączy wspomaganie kierownicy. Wyłączenie jest „miękkie”. W tym celu jednostka sterująca oblicza sygnał zastępczy momentu obrotowego układu kierowniczego na podstawie kąta skrętu i kąta obrotu wirnika silnika elektrycznego. Lampka kontrolna na desce rozdzielczej zasygnalizuje odpowiednią usterkę.
Czujnik prędkości obrotowej wirnika
Czujnik prędkości obrotowej wirnika jest elementem silnika w elektromechanicznym układzie wspomagania kierownicy. Jest on niedostępny z zewnątrz. Także on działa na zasadzie zmianie oporu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego i jest podobny w konstrukcji do czujnika momentu obrotowego kierownicy. Jak sugeruje jego nazwa, czujnik ten odpowiada za pomiar prędkości obrotowej wirnika silnika elektrycznego, co jest niezbędne do precyzyjnego sterowania silnikiem.
Czujnik prędkości wirnika jest monitorowany przez system diagnostyki pokładowej. Gdy czujnik ulegnie awarii, jednostka sterująca wykorzystuje prędkość kąta skrętu kierownicy jako sygnał zastępczy do stopniowego zmniejszania wspomagania kierownicy. Pozwala to uniknąć nagłego wyłączenia wspomagania kierownicy. Również w tym przypadku lampka ostrzegawcza na desce rozdzielczej zasygnalizuje kierowcy wystąpienie usterki.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Prędkość jazdy
Sygnał prędkości pojazdu jest dostarczany przez jednostkę sterującą ABS do układu kierowniczego za pośrednictwem magistrali CAN. Jeśli sygnał zostanie utracony, uruchamiany jest program awaryjny. Kierowca nadal ma do dyspozycji pełne wspomaganie kierowania, ale nie ma już funkcji Servotronic. W przypadku wystąpienia tej usterki lampka kontrolna na desce rozdzielczej zaświeci się na żółto.
Czujnik prędkości obrotowej silnika
Czujnikiem prędkości obrotowej silnika spalinowego jest czujnik Halla. Znajduje się on w obudowie kołnierza uszczelniającego wału korbowego. Sygnał tego czujnika przekazuje prędkość obrotową silnika i dokładną pozycję wału korbowego do jednostki sterującej silnika. W przypadku uszkodzenia czujnika układ kierowniczy będzie pracował w trybie zasilania z zacisku 15 i będzie działał z pewnymi ograniczeniami. Usterka nie zostanie zasygnalizowana przez zapalenie się kontrolki ostrzegawczej.
Sygnał prędkości obrotowej lub stan czujnika można sprawdzić za pomocą diagnostyki pokładowej i wyświetlić w bloku wartości mierzonych. Uwaga! Wartości rzeczywiste prędkości mogą być wyświetlane pomimo uszkodzenia czujnika. Jednostka sterująca może obliczyć prędkość obrotową silnika na podstawie prędkości obrotowej wałka rozrządu, ponieważ wałek obraca się dokładnie z połową prędkości obrotowej. Aby upewnić się, że nie jest wyświetlana wartość zastępcza, można odłączyć wtyczkę czujnika prędkości obrotowej podczas postoju pojazdu i następnie uruchomić silnik. Jeśli prędkość obrotowa silnika zostanie ponownie wyświetlona, oznacza to, że wyświetlana jest wartość zastępcza.
Ilustracja 2. Magnesy umieszczone na wirniku czujnika skrętu zmieniają rezystancję czujnika. Generuje to sygnał napięciowy w momencie obrotu wirnika.
Silnik do elektromechanicznego wspomagania układu kierowniczego
Silnik elektryczny wspomagania układu kierowniczego jest bezszczotkowym silnikiem asynchronicznym, który generuje maksymalny moment obrotowy wynoszący 4,1 Nm. Silniki asynchroniczne nie mają stałego pola magnetycznego ani wzbudzenia elektrycznego. Charakterystyczną cechą tych silników asynchronicznych jest różnica między częstotliwością napięcia zasilającego a częstotliwością obrotową silnika, co daje im nazwę „asynchroniczne”. Silniki tego typu mają prostą konstrukcję (bez szczotek) i są bardzo niezawodne. Ich zaletą jest możliwość poruszania silnikiem za pośrednictwem przekładni kierownicy nawet przy braku napięcia. Szybko reagują i są odpowiednie do szybkich ruchów kierownicą.
Silnik jest montowany w obudowie aluminiowej i przekazuje siłę wspomagania układu kierowniczego za pomocą przekładni ślimakowej na zębniki. Na końcu wałka, po stronie sterowania znajduje się magnes, dzięki któremu jednostka sterująca odczytuje prędkość obrotową wirnika. Sygnał ten jest wykorzystywany przez sterownik do określenia prędkości kierownicy. W przypadku uszkodzenia silnika nadal można poruszać kierownicą, ale wymaga to użycia nieco większej siły. Silnik nie blokuje się nawet w przypadku zwarcia uzwojeń. Pojawienie się usterki jest sygnalizowanie przez zaświecenie się czerwonej lampki kontrolnej w zestawie wskaźników.
Jednostka sterująca wspomaganie kierownicy
Jednostka sterująca wspomaganie kierownicy jest podłączona bezpośrednio do silnika elektrycznego, dzięki czemu nie są wymagane żadne skomplikowane przewody do elementów wspomagania kierownicy. Jednostka sterująca określa bieżące zapotrzebowanie na wspomaganie kierownicy, oblicza natężenie prądu wzbudzenia i steruje silnikiem na podstawie sygnałów wejściowych takich jak:
- sygnał kąta skrętu układu kierowniczego z enkodera kąta skrętu,
- prędkość obrotowa silnika z indukcyjnego czujnika prędkości obrotowej silnika,
- moment skrętu kierownicą i prędkość obrotowa wirnika,
- sygnał prędkości jazdy pojazdu,
- sygnał od jednostki sterującej jednostką wyświetlacza deski rozdzielczej, że kluczyk zapłonowy został zidentyfikowany.
Z jednostką sterująca zintegrowany jest też czujnik temperatury, który monitoruje temperaturę układu kierowniczego. Jeśli temperatura przekroczy 100°C, wspomaganie kierownicy jest stopniowo redukowane. Gdy wspomaganie spadnie poniżej 60%, lampka kontrolna elektromechanicznego wspomagania układu kierowniczego zaświeci się na żółto, a w pamięci usterek pojawi się odpowiedni wpis. Uszkodzoną jednostkę sterującą wspomaganiem można wymienić. Po wymianie należy aktywować odpowiednią mapę wspomagania kierowania w jednostce sterującej.
W pewnych warunkach, gdy prędkość jazdy jest większa niż 7 km/h i gdy włączony jest zapłon, wspomaganie kierownicy będzie działać nawet podczas holowania pojazdu. Układ kierowniczy wykrywa i reaguje na zbyt niską wartość napięcia zasilającego. Jeśli napięcie akumulatora spadnie poniżej 9 V, wspomaganie kierownicy zostanie ograniczone lub całkowicie wyłączone, a lampka kontrolna zaświeci się na czerwono. Jeśli napięcie spadnie poniżej 9 V na krótki czas, lampka kontrolna zaświeci się na żółto.
Ograniczniki skrętu
Aby podczas obrotu uniknąć gwałtownych mechanicznych zatrzymań kierownicy, w układzie zainstalowany jest „ogranicznik programowy” który znajduje się 5° przed zderzakiem mechanicznym. Podczas obrotu kierownicy i aktywacji ogranicznika moment wspomagania jest redukowany. W ustawieniu fabrycznym pozycje ograniczników należy wyłączyć za pomocą urządzenia diagnostycznego. Programowanie odbywa się automatycznie bez testera. Niektóre modele nie wyłączają się automatycznie przed końcem ogranicznika skrętu. Dlatego w przypadku modeli, w których silnik elektryczny pobierze prąd przeciążenia większy niż 200 A przy osiągnięciu pozycji krańcowej, należy poczekać z wykonaniem następnego testu. Aż do momentu, gdy spadnie temperatura silnika.
Źródło: Materiały redakcyjne, na podstawie czasopisma autoFACHMANN
