Tema: 10 Servodirecție electro-hidraulică 

10.1           Rolul și avantajele servodirecției electrohidraulice (Servotronic)

Sistemul de servodirecție electrohidraulică (EPHS – Electrically Powered Hydraulic Steering) este un sistem avansat de asistență la direcție, care îmbină tehnologia hidraulică cu un motor electric pentru a ușura manevrarea volanului de către șofer. Forța necesară direcției este furnizată prin intermediul unei pompe hidraulice acționate de un motor electric (Figura 10.1), spre deosebire de sistemele tradiționale, în care pompa este antrenată direct de motorul vehiculului. Principalul obiectiv al sistemului Servotronic este de a spori confortul șoferului: la viteze reduse (de exemplu, în timpul parcării) asistă direcția pentru manevre mai ușoare, iar la viteze mari adaptează rigiditatea direcției pentru o conducere mai precisă și mai sigură, în funcție de condițiile de trafic.

Avantajele servodirecției electrohidraulice EPHS față de servodirecția tradițională

Servodirecția electrohidraulică de ultimă generație oferă o serie de avantaje față de sistemele tradiționale:

-   Reducerea consumului de energie cu până la 85%;

-   Impact ecologic redus, datorită consumului mai mic de energie și a cantității mai reduse de lichid de servodirecție;

-   Scăderea consumului de combustibil în ciclurile reale de rulare cu aproximativ 0,2 l/100 km;

-   Creșterea siguranței active, prin reducerea efortului asupra volanului la manevre și printr-un control mai direct al direcției la viteze ridicate.

Funcționarea EPHS în diferite condiții de trafic (Figura 10.2)

-   Pe autostradă: Servodirecția tradițională consumă multă energie inutilă din cauza turației mari a arborelui motorului. La viteze mici de rotație a volanului și turații mari ale motorului, pompa sistemului tradițional furnizează un volum excesiv de lichid hidraulic, care trebuie evacuat prin supapa de bypass.

-   Servodirecția electrohidraulică: Asigură cea mai mare reducere a consumului de energie pe autostradă, deoarece debitul pompei este ajustat în funcție de viteza vehiculului și de viteza de rotație a volanului.

În oraș: Chiar și la circulația urbană, EPHS realizează o scădere semnificativă a consumului de energie, datorită reglării precise a asistenței direcției. 

10.2           Construcția și funcționarea sistemului de servodirecție electrohidraulică

Sistemul de servodirecție electrohidraulică (EPHS – Electrically Powered Hydraulic Steering)  este o tehnologie comună în automobilele moderne, în special în cele electrice sau hibride, unde eficiența energetică este un factor important.

În locul pompelor cu palete folosite la servodirecțiile cunoscute, sistemul de direcție electrohidraulic utilizează o pompă cu roți dințate, antrenată de un motor electric integrat în agregatul pompei.

Agregatul pompei (Figura 10.3) este realizat ca un bloc unitar, compus din:

-   Modulul hidraulic, care include pompa cu roți dințate, supapa de reducere a presiunii și motorul electric;

-   Rezervorul pentru lichidul de servodirecție;

-   Unitatea de control a servodirecției.

Agregatul nu necesită întreținere suplimentară, deoarece toate componentele sunt lubrifiate de lichidul de servodirecție. Dezasamblarea agregatului nu este recomandată, întrucât acesta nu este reparabil.

Agregatul pompei este conectat la mecanismul de direcție prin furtunul de presiune, iar conductele de retur se racordează la rezervorul de lichid.

La deplasarea autovehiculului în linie dreaptă, distribuitorul rotativ și manșonul distribuitor sunt menținute în poziție neutră de către arborele torsional  (Figura 10.4 I). Lichidul hidraulic este evacuat către rezervor, trecând prin ansamblul de comandă fără creșterea semnificativă a presiunii. Canalele de comandă dintre distribuitorul rotativ și a manșonului distribuitor sunt poziționate relativ unul față de celălalt astfel încât lichidul hidraulic este dirijat simultan în ambele camere ale cilindrului de forță, după care este evacuat către rezervor prin canalele de retur.

În aceste condiții, nu se generează forță de asistare, iar direcția funcționează în regim neutru.

Ca urmare a răsucirii arborelui torsional, distribuitorul rotativ se rotește față de manșonului distribuitor. În această situație, canalele de comandă ale distribuitorului permit accesul lichidului hidraulic în camera dreaptă a cilindrului de forță (Figura 10.4 II).

Lichidul hidraulic, care pătrunde în cilindrul de forță sub presiune, susține acțiunea mecanismului de direcție, reducând efortul aplicat de șofer asupra volanului.

În același timp, distribuitorul închide alimentarea cu lichid hidraulic a camerei stângi a cilindrului de forță și deschide evacuarea acesteia către conducta de retur.

Sub acțiunea presiunii din camera dreaptă a cilindrului de forță, lichidul hidraulic este deplasat din camera stângă către conducta de retur.

Pozițiile „Virare la stânga” și „Virare la dreapta” sunt hidraulic identice cu cele întâlnite la servodirecțiile hidraulice clasice.

După finalizarea virajului roților directoare, arborele torsional readuce distribuitorul rotativ și manșonul distribuitor în poziția neutră.

Când șoferul rotește volanul, unitatea electronică de control a servodirecției (Figura 10.5) primește informații de la unitatea electronică de comandă a autovehiculului privind viteza de deplasare a autovehiculului și turația motorului, precum și informații de la senzorul de servodirecție, care indică viteza unghiulară de rotație a volanului.

Pe baza acestor date, unitatea de control reglează frecvența de rotație a rotorului motorului electric, care antrenează pompa cu roți dințate, influențând astfel performanța pompei și volumul de lichid hidraulic pompat.

În cazul defectării unei componente electrice, martorul luminos de pe panoul de bord avertizează șoferul asupra existenței unei defecțiuni în sistemul de servodirecție.

Pentru protecție, sistemul este prevăzut cu o supapă de limitare a presiunii, care:

-   previne creșterea excesivă a presiunii;

-   protejează pompa și componentele hidraulice.

Motorul electric al pompei este alimentat de la borna +30 (plus permanent), iar unitatea electronică de control este alimentată de la borna +15 (plus după contact). Unitatea de control permite alimentarea motorului electric numai atunci când sunt îndeplinite condițiile de funcționare ale sistemului.

Pe baza semnalului furnizat de senzorului de servodirecție, unitatea de control a servodirecției recunoaște manevrele de virare ale volanului. Cu cât volanul este rotit mai rapid, cu atât turația pompei de servodirecție este mai mare, iar debitul de lichid hidraulic pompat crește, independent de viteza de deplasare a vehiculului.

În sistemele moderne de servodirecție, cei mai frecvent utilizați senzori pentru determinarea vitezei și unghiului de rotație a volanului sunt senzorii de tip Hall și senzorii capacitiv. Aceștia sunt preferați datorită fiabilității, preciziei și durabilității lor în condiții variate de temperatură și vibrații.

Senzorul de tip capacitiv este amplasat în partea superioară a carcasei mecanismului de direcție și este montat pe arborele de intrare al acestuia (Figura 10.6). Acesta măsoară unghiul relativ de rotație al arborelui, informație utilizată pentru calculul vitezei de rotație a volanului.

Construcția și principiul de funcționare. Între plăcile a nouă condensatori de dimensiuni reduse se rotește un rotor (ecran dielectric/metalic profilat), fixat pe arborele de intrare al mecanismului de direcție. În timpul rotației rotorului, capacitatea condensatorilor planari se modifică (Figura 10.7).

Electronica integrată a senzorului transformă variațiile de capacitate în:

• semnale corespunzătoare unghiului de rotație al volanului;

• semnale corespunzătoare vitezei de rotație a volanului.

Aceste semnale sunt transmise către unitatea de control a servodirecției, care le utilizează pentru adaptarea nivelului de asistență al direcției.

Senzorul de tip Hall tot este amplasat în partea superioară a carcasei mecanismului de direcție și este montat pe arborele de intrare al acestuia (Figura 10.8).

Acesta este alcătuit din:

-   un rotor prevăzut cu 60 de magneți permanenți, dispuși sub formă de inel;

-   schemă integrată (CI) care conține un element Hall.

În interiorul circuitului integrat se află un strat semiconductiv, prin care circulă curentul de alimentare. Rotorul se rotește la o distanță mică (joc) față de circuitul integrat.

Pentru reglarea vitezei de rotație a pompei servodirecției și, implicit, a debitului volumic al lichidului de lucru în servodirecția electrohidraulică, se pot utiliza și informațiile de la senzorul unghiului de rotație al volanului. Totuși, influența acestui senzor asupra reglării pompei este nesemnificativă, semnalele sale fiind utilizate în principal de sistemul ESP.

10.3 Diagnosticarea tehnică și mentenanța servodirecției electrohidraulice

Servodirecția electrohidraulică (EHPS – Electro-Hydraulic Power Steering) asigură asistarea direcției autovehiculului prin combinarea unui sistem hidraulic cu elemente electronice de control. Diagnosticarea și mentenanța corectă sunt esențiale pentru:

-   Siguranța circulației;

-   Funcționarea optimă a sistemului;

-   Prevenirea uzurii premature a componentelor;

-  Reducerea consumului de energie și a zgomotului.

Parametrii esențiali pentru evaluarea performanței și funcționării corecte a sistemelor de direcție Servotronic includ:

1.   Unghiul de direcție: Se verifică unghiul de rotație al volanului pentru a evalua dacă răspunsul sistemului este corect.

2.   Tensiunea senzorilor: Se verifică tensiunile de ieșire ale senzorilor de poziție și de torsiune, care trebuie să fie în intervalul specificat de producător.

3.   Curentul servomotorului: Se monitorizează curentul consumat de servomotor pentru a detecta suprasarcini sau defecțiuni.

4.   Răspunsul sistemului: Se verifică timpul de reacție al sistemului la comenzi de direcție și stabilitatea acestuia.

5.   Coduri de eroare: Se identifică codurile de eroare stocate în unitatea de control pentru diagnosticarea problemelor specifice.

6.   Temperatura sistemului: Se măsoară temperatura componentelor electrice și mecanice, care poate influența performanța.

7.   Feedback-ul de torsiune: Se verifică semnalul de feedback de la senzorii de torsiune, indicând forțele aplicate asupra volanului.

8.   Calibrarea senzorilor: Se asigură calibrarea corectă a senzorilor, inclusiv verificarea nivelurilor de offset.

9.   Verificarea semnalului: Se confirmă că semnalele de la senzorii de unghi și de accelerație sunt transmise corect către unitatea de control.

10.      Conexiuni electrice: Se inspectează cablajul, conectorii și îmbinările pentru semne de uzură, coroziune sau contact slab.

Pentru toate verificările, se utilizează schemele electrice ale sistemului și documentația tehnică furnizată de producător.

Mentenanța servodirecției electrohidraulice

a) Lichidul de servodirecție:

-   Înlocuirea periodică conform recomandărilor producătorului;

-   Folosirea unui lichid compatibil specific EHPS;

-   Evitarea contaminării cu particule, apă sau uleiuri străine.

b) Curățarea și întreținerea componentelor:

-   Curățarea exteriorului pompei și a furtunurilor;

-   Verificarea și strângerea conexiunilor electrice;

-   Inspectarea și, dacă este necesar, înlocuirea garniturilor de etanșare.

c) Testarea după mentenanță:

-   Verificarea funcționării sistemului după orice intervenție;

-   Monitorizarea semnalelor senzorilor și a presiunii lichidului;

-   Asigurarea că sistemul răspunde corect la toate condițiile de rulare.