Steer-by-wire – koniec fizycznego połączenia kierownicy z kołami
Mercedes-Benz AGPrzez ponad sto lat każdy samochód opierał się na tej samej zasadzie: mechanicznym połączeniu kierownicy z przekładnią kierowniczą. Dziś rozwiązanie to odchodzi do historii. Steer-by-wire (SBW) – układ kierowniczy bez mechanicznego połączenia kierownicy z kołami – wkracza do produkcji seryjnej. Dla mechanika i diagnosty oznacza to nie tylko nową technologię do obsługi, lecz także zupełnie nowe podejście do układu kierowniczego.
- Steer-by-wire eliminuje mechaniczne połączenie kierownicy z kołami – sprawdź, jak działa układ oparty na elektronice i jakie daje możliwości.
- Nowa technologia zmienia konstrukcję i serwisowanie pojazdów: jakie wyzwania może przynieść warsztatom i diagnostom?
- Kierowanie samochodem wkracza w nową erę, poznaj potencjał technologii, która może wpłynąć na bezpieczeństwo, komfort oraz na projektowanie przyszłych pojazdów.
Pomysł na steer-by-wire dojrzewał latami, ale aż do 2003 r. europejskie przepisy (UNECE R79) wymagały mechanicznej integracji kierownicy z kołami. Po zmianie regulacji jednym z pionierów był Infiniti Q50 (2013), jednak zastosowany tam system zachowywał mechaniczną rezerwę w postaci sprzęgła łączącego kolumnę kierowniczą z przekładnią.
Wśród pierwszych pojazdów seryjnych z pełnym układem SBW znalazła się Tesla Cybertruck, wprowadzona na rynek amerykański w 2023 r. W Europie technologia steer-by-wire pojawiła się seryjnie w Lexusie RZ 550e F SPORT, a w 2026 r. trafiła też do Mercedesa-Benz EQS.
Równolegle od 2025 r. system stosowany jest również w Nio ET9. Systemy SBW dla Nio i Mercedesa dostarcza firma ZF Friedrichshafen AG.
Jak działa steer-by-wire: 3 bloki funkcjonalne
W nowoczesnym układzie kierowniczym ze wspomaganiem elektrycznym EPS obrót kierownicy jest przenoszony mechanicznie przez kolumnę, przeguby Cardana i wał pośredni do przekładni kierowniczej, a silnik elektryczny jedynie wspomaga ten ruch. W systemie SBW taki tor mechaniczny nie występuje – zastępują go 3 podstawowe bloki funkcjonalne.
Pierwszy blok stanowi moduł kierownicy. Wyposażony jest w siłownik sprzężenia zwrotnego, czujniki kąta i prędkości obrotu kierownicy oraz elektronikę sterującą. Mierzy kąt skrętu i prędkość obrotu kierownicy, a następnie przesyła te dane do sterownika.
Jednocześnie elektronicznie odtwarza siły działające na kierownicę, które w tradycyjnym układzie pochodzą od kół i nawierzchni. ZF stosuje tu opatentowany mechanizm Twin Worm: 2 niezależne napędy ślimakowe pracujące równolegle, zapewniające zdublowane zabezpieczenie oraz precyzyjną eliminację luzów.
Drugi blok stanowi siłownik wykonawczy układu kierowniczego, zamontowany przy osi przedniej. To element wykonawczy odpowiedzialny za realizację skrętu kół.
Polecenia docierają do niego wyłącznie drogą elektroniczną – jest to mechatroniczny napęd, który przesuwa zębatkę przekładni kierowniczej zamiast tradycyjnej kolumny kierowniczej. Trzecim elementem jest sterownik obliczający optymalny kąt skrętu kół.
W odróżnieniu od klasycznego EPS przełożenie kierownicy nie jest stałe. Podczas manewrowania kierownica może wymagać znacznie mniejszego zakresu obrotu niż w tradycyjnym układzie, natomiast przy wyższych prędkościach reakcje stają się bardziej stonowane. Sprzężenie zwrotne kierownicy jest obliczane na podstawie modelu matematycznego uwzględniającego m.in. siły boczne działające na opony, prędkość pojazdu, przyspieszenie poprzeczne oraz stan nawierzchni.
Co znika z układu kierowniczego, a co pojawia się w zamian
Dla mechanika najważniejsza jest zmiana konstrukcji pojazdu. W samochodach wyposażonych w steer-by-wire z układu kierowniczego znikają:
- mechaniczna kolumna kierownicza z przegubami Cardana i wałem pośrednim,
- mechaniczne połączenie kierownicy z przekładnią kierowniczą,
- czujnik momentu obrotowego zintegrowany z klasyczną kolumną EPS.
W zamian pojawiają się:
- moduł kierownicy z redundantnym napędem elektrycznym, montowany w miejscu klasycznej kolumny kierowniczej,
- siłownik wykonawczy układu kierowniczego odpowiedzialny za skręt kół,
- co najmniej 2 niezależne tory komunikacji między modułami układu,
- redundantne zasilanie – w Mercedesie EQS są to 2 akumulatory 12 V i 2 przetworniki DC/DC,
- dedykowane sterowniki SBW zintegrowane z magistralą komunikacyjną pojazdu.
Zmienia się również sama kierownica. Dzięki zmiennemu przełożeniu układu kierowca nie musi przekładać rąk podczas manewrowania, co umożliwia stosowanie kierownic typu yoke. Wymaga to także nowej konstrukcji poduszki powietrznej oraz elementów sterujących zintegrowanych z modułem kierownicy.
źródło: Mercedes-Benz AGSteer-by-wire (SBW) – układ kierowniczy bez mechanicznego połączenia kierownicy z kołami.
Awaria Steer-by-wire: jak działa redundancja systemu?
W klasycznych układach kierowniczych awaria zasilania elektrycznego najczęściej oznacza utratę wspomagania, a nie utratę możliwości kierowania pojazdem. W pełnym systemie steer-by-wire nie występuje mechaniczne połączenie awaryjne między kierownicą a kołami, dlatego bezpieczeństwo opiera się na wielopoziomowej redundancji elektronicznej.
Mercedes-Benz zastosował 2 niezależne tory sygnałowe i redundantne zasilanie – jeśli jeden z nich zawiedzie, drugi przejmuje jego funkcję bez zauważalnej przerwy w działaniu układu. W przypadku pojedynczej awarii jednego z torów systemu kierowca zazwyczaj nie odczuwa żadnych zmian.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Przy poważniejszej awarii niektóre rozwiązania wykorzystują funkcje awaryjnego utrzymania sterowności pojazdu, takie jak selektywne hamowanie kół przez układ ESP lub wykorzystanie skrętnej tylnej osi. Jak podkreślają producenci, skuteczność takich rozwiązań zależy od integracji wszystkich układów odpowiedzialnych za dynamikę jazdy, a nie wyłącznie samego układu kierowniczego.
Steer-by-wire: nowe procedury serwisowe
Kalibracja czujnika kąta skrętu (SAS) jest znana z układów EPS i ESP, jednak w systemach steer-by-wire nabiera znacznie większego znaczenia. Punkt zerowy kierownicy staje się jednym z kluczowych parametrów systemowych, ponieważ sterownik układu musi znać dokładną zależność między położeniem kierownicy a położeniem kół.
Nieprawidłowa kalibracja może skutkować błędnym kątem skrętu kół lub przejściem układu w tryb awaryjny. Kalibracja SAS może być wymagana po:
- wymianie modułu kierownicy lub siłownika wykonawczego układu kierowniczego,
- pracach przy zawieszeniu lub przekładni kierowniczej,
- ustawianiu geometrii kół,
- odłączeniu akumulatora lub wymianie modułu zasilania,
- zadziałaniu poduszki powietrznej lub naprawach blacharskich przedniej części pojazdu,
- aktualizacji oprogramowania sterowników układu kierowniczego.
Wymiana podzespołów systemu steer-by-wire nie ogranicza się do prac mechanicznych. Nowy komponent może wymagać zakodowania, kalibracji i synchronizacji elementów systemu oraz weryfikacji działania redundantnych torów sygnałowych.
Bez wykonania tych procedur układ może przejść w tryb awaryjny lub ograniczyć swoją funkcjonalność. Pod względem diagnostycznym przypomina to procedury wykonywane po wymianie modułów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo jazdy. Istotne znaczenie zyskuje również geometria kół.
Charakterystyka działania układu SBW jest powiązana z geometrią i parametrami zawieszenia, dlatego zmiany konstrukcyjne – szczególnie po montażu zestawów podnoszących zawieszenie lub modyfikacjach kątów ustawienia kół – mogą wymagać ponownej kalibracji systemu. Ustawianie geometrii powinno być powiązane z kontrolą i ewentualną kalibracją czujnika SAS, ponieważ pominięcie tego etapu może prowadzić do trudnych do zdiagnozowania problemów z prowadzeniem pojazdu.
Nową rutyną serwisową staje się również kontrola wersji oprogramowania sterowników SBW. Aktualizacje oprogramowania mogą modyfikować charakterystyki układu, dlatego po każdej interwencji serwisowej warto zweryfikować, czy zainstalowana wersja jest aktualna i zgodna z wymaganiami producenta pojazdu.
Dlaczego to dopiero początek...
Steer-by-wire to nie tylko nowy układ kierowniczy, lecz także fundament dalszego rozwoju systemów ADAS i automatyzacji jazdy. W przeciwieństwie do klasycznych rozwiązań polecenia skrętu realizowane są bezpośrednio przez układ elektroniczny. Producenci rozwijają już systemy koordynujące pracę układu kierowniczego, hamulcowego, zawieszenia i napędu.
Oznacza to, że diagnostyka problemów z prowadzeniem pojazdu będzie coraz częściej wymagała analizy współpracy wielu układów, a nie tylko samego układu kierowniczego. Dla warsztatów oznacza to stopniowe przesunięcie punktu ciężkości z diagnostyki elementów mechanicznych na kalibrację, analizę sygnałów oraz obsługę oprogramowania.
Źródło: Materiały redakcyjne
O Autorze
