După studierea acestei teme, elevul va fi capabil:

-   să identifice rolul și clasificarea sistemului de servodirecție electro-mecanică;

-   să explice construcția și principiul de funcționare a sistemului de servodirecție electro-mecanică;

-   să descrie operațiunile de diagnosticare și mentenanță a sistemului de servodirecție electro-mecanică.

11.1           Rolul și clasificarea servodirecției electro-mecanică

Servodirecția electro-mecanică (EPS – Electric Power Steering) este un sistem de asistență a direcției în care ajutorul la rotirea volanului este furnizat de un motor electric, comandat de o unitate electronică de control (ECU), fără utilizarea pompei hidraulice clasice.

Trecerea de la servodirecția hidraulică la cea electro-mecanică a fost determinată de necesitatea reducerii consumului de energie, creșterii fiabilității și integrării cu sistemele electronice de siguranță și asistență. În cadrul EPS, poziția motorului electric reprezintă criteriul principal de clasificare și reflectă evoluția tehnologică a sistemului.

1. Motor electric pe coloană

Sistemul EPS cu motor electric montat pe coloana de direcție (Figura 11.1) aplica asistența înaintea mecanismului pinion–cremalieră, printr-un reductor melcat care amplifica cuplul motorului. Avantajele acestei soluții sunt structura simplă, costurile reduse și integrarea ușoară în arhitectura vehiculului. Dezavantajele includ cuplul de asistare limitat, elasticitatea crescută a coloanei și feedback redus către volan, ceea ce reduce precizia direcției, mai ales la viteze mari sau la vehicule mai grele. Din acest motiv, sistemele de prima generație sunt folosite preponderent pe autoturisme mici și urbane.

2.   Motor electric pe pinionul de direcție. Sistemul EPS cu motor electric montat pe carcasa pinion–cremalieră aplică asistența direct asupra pinionului (Figura 11.1). Aceasta reduce elasticitatea transmisiei, permite un cuplu de asistare mai mare și un feedback mai bun către volan. Controlul electronic devine mai avansat, permițând adaptarea fină a asistării în funcție de viteză și integrarea inițială cu sistemele de stabilitate ale vehiculului. Dezavantajele sunt complexitatea constructivă și necesitatea protecției motorului împotriva factorilor de mediu.

3.   Motor electric pe cremalieră. Sistemul EPS cu motor montat direct pe cremaliera de direcție folosește, de regulă, pinion dublu pentru a reduce efortul și a crește rigiditatea structurală (Figura 11.1). Această soluție asigură precizie ridicată a direcției și comportament stabil al vehiculului la viteze mari. Sistemul este controlat de unități electronice performante, capabile de strategii complexe de asistare și integrare completă cu sistemele ADAS. Dezavantajele includ costuri mai mari, masă crescută și complexitate tehnologică sporită. Este utilizat pe vehicule din clasele medie și superioară, precum și pe electrice și hibride.

4.   Motor electric pe cremalieră cu optimizare dinamică a distribuției forței. Această soluție utilizează pinion dublu, unul acționat mecanic de volan și celălalt de motorul electric, separând funcția de comandă de cea de asistare. Avantajele sunt precizie foarte ridicată, feedback natural și siguranță funcțională sporită. Dezavantajele constau în costuri foarte mari, complexitate constructivă și software și cerințe stricte de siguranță funcțională. Este întâlnită pe vehicule Premium și platforme moderne, unde integrarea sistemelor avansate de asistență (ADAS) este esențială.

În prezent, toate aceste soluții EPS pot fi întâlnite pe vehicule, însă cea mai utilizată este motorul electric montat direct pe cremaliera de direcție, datorită cuplului de asistare ridicat, preciziei superioare și integrării eficiente cu sistemele electronice de siguranță și asistență a conducătorului auto.

11.1           Construcția și funcționarea sistemului de servodirecție electro-mecanică

Sistemul de direcție cu acționare electro-mecanică (EPS), cu motorul electric amplasat pe cremaliera de direcție, reprezintă un sistem activ de direcție, controlat de unitatea electronică de comandă (ECU). Aceasta primește și prelucrează informații provenite de la senzorul de viteză al vehiculului, senzorul de cuplu (moment rezistent la virare) și senzorul de unghi de rotire al volanului (Figura 11.2).

Pe baza acestor date, unitatea de comandă determină nivelul optim al asistării, astfel încât să asigure ușurință în manevrare la viteze reduse și stabilitate și precizie a direcției la viteze ridicate, în concordanță cu intențiile conducătorului auto.

Acțiunea servodirecției electro-mecanice la rotirea volanului (Figura 11.3).

a.   Servodirecția electro-mecanică începe să acționeze în momentul în care conducătorul auto rotește volanul.

b.   Senzorul de cuplu măsoară forța pe care șoferul o aplică pentru a roti volanul și transmite aceste informații către unitatea electronică de comandă a servodirecției.

c.   Unghi de rotire al volanului este măsurat de către senzor, iar viteza de rotire a volanului este determinată pe baza frecvenței de rotație a rotorului motorului electric de asistare, măsurată de senzorul montat pe motorul electric.

d.   Unitatea electronică de comandă a servodirecției calculează cuplul necesar al motorului electric pe baza următoarelor mărimi: cuplul aplicat pe volan, viteza de deplasare a vehiculului, turația arborelui cotit, unghiul de rotire al volanului, viteza de rotire a volanului.

În procesul de calcul sunt utilizate caracteristici și hărți funcționale stocate în memoria unității de comandă. În funcție de rezultatul calculului, unitatea de comandă reglează cuplul dezvoltat de motorul electric de asistare.

e.   Cuplul generat de motorul electric de asistare este transmis prin intermediul unei transmisii cu melc (angrenaj melcat) către roata dințată de acționare, care acționează cremaliera mecanismului de direcție în paralel cu pinionul antrenat mecanic de volan.

f.   Deplasarea cremalierei are loc sub acțiunea sumei forțelor, rezultate din: cuplul transmis mecanic de la volan, cuplul furnizat de motorul electric al servodirecției.

La parcare, datorită valorilor mari ale cuplului de torsiune aplicat pe volan și vitezei nule a autovehiculului, unitatea electronică de comandă stabilește un moment de asistare maxim, pentru a reduce efortul depus de șofer.

În circulația urbană, având în vedere valorile moderate ale cuplului de torsiune pe volan și viteza redusă sau medie a autovehiculului, unitatea de comandă adaptează un moment de asistare mediu, asigurând un compromis optim între confort și precizie în manevrare.

Pe drum extraurban sau pe autostradă, ca urmare a valorilor mici ale cuplului de torsiune pe volan și a vitezei ridicate a autovehiculului, unitatea de comandă reduce momentul de asistare la un nivel minim, pentru a asigura stabilitatea direcțională și un control precis al vehiculului.

Revenirea roților directoare în poziția inițială (mediană)

1.   Dacă, în timpul deplasării autovehiculului într-un viraj, șoferul reduce efortul aplicat asupra volanului, efortul exercitat de motorul electric al servodirecției asupra cremalierei de direcție scade corespunzător (Figura 11.4).

2.   Unitatea electronică de comandă calculează viteza de revenire a roților în poziția inițială în funcție de: scăderea cuplului de torsiune pe volan, unghiul de rotire al volanului, viteza de rotire a volanului.

Valoarea calculată este comparată cu viteza reală de revenire a roților, iar rezultatul comparației constituie baza pentru determinarea cuplului necesar pentru readucerea roților în poziția inițială.

3.   Geometria suspensiei este, de regulă, concepută astfel încât, la bracarea roților directoare, să apară forțe reactive care tind să le readucă în poziția inițială. Totuși, aceste forțe sunt, de obicei, insuficiente pentru a învinge forțele de frecare din mecanismul de direcție și din suspensie. Din acest motiv, auto centrarea roților directoare nu se produce spontan.

4.   Unitatea de comandă a servodirecției calculează cuplul motorului electric de asistare necesar pentru revenirea roților, pe baza următorilor parametri: cuplul de torsiune pe volan, viteza vehiculului, turația arborelui cotit, unghiul și viteza de rotire a volanului.

În acest proces sunt utilizate caracteristicile memorate în unitatea de comandă, iar în urma calculelor se ajustează cuplul motorului electric al servodirecției.

Ca rezultat, motorul electric al servodirecției asigură revenirea activă a roților directoare în poziția mediană.

Senzorul de unghi al volanului. Senzorul de unghi al volanului este amplasat sub inelele de revenire și alunecare ale airbagului, fiind montat pe coloana de direcție, între comutatoarele de sub volan și volan.

Acest senzor generează un semnal proporțional cu unghiul de rotire al volanului. Semnalul este transmis prin rețeaua CAN către unitatea de comandă a sistemelor electronice de pe coloana de direcție, unde este supus prelucrării ulterioare (Figura 11.3).

Principiul de funcționare al senzorului unghiului de rotație a volanului

Principalele componente ale senzorului unghiului de rotație a volanului sunt (Figura 11.4):

-   discul de codare prevăzut cu două inele;

-   perechi fotoelectrice, fiecare alcătuită dintr-o sursă de lumină și un fotoelement.

Discul de codare este prevăzut cu două inele concentrice:

-  inelul exterior este utilizat pentru determinarea valorilor absolute ale unghiului de rotație a volanului;

-       inelul interior este utilizat pentru determinarea variațiilor (incrementelor) unghiului.

inelul de variație a unghiului este împărțit în 5 segmente a câte 72° și funcționează în combinație cu o singură pereche fotoelectrică. În interiorul fiecărui segment sunt realizate mai multe decupaje. Dispunerea decupajelor este identică în cadrul unui segment, dar diferă de la un segment la altul, realizând astfel codificarea segmentelor.

Inelul exterior, destinat determinării unghiului absolut, funcționează împreună cu șase perechi fotoelectrice, permițând identificarea precisă a poziției volanului.

Senzorul permite măsurarea unghiului de rotație al volanului într-un domeniu de până la 1044°. Determinarea unghiului se realizează prin însumarea valorilor unghiurilor de variație. La trecerea prin marcajul corespunzător valorii de 360°, senzorul înregistrează finalizarea unei rotații complete. Construcția mecanismului de direcție permite o rotație totală a volanului de 2,76 rotații.

Măsurarea unghiului de rotație se realizează pe baza semnalelor senzorului fotoelectric, care interacționează cu un ecran mobil.

Pentru simplificare, dacă se analizează doar inelul de variație a unghiului, se poate observa o sursă de lumină dispusă pe o parte a inelului și un fotoelement pe partea opusă (Figura 11.5).

La trecerea fasciculului luminos printr-un decupaj al inelului, la bornele fotoelementului apare o tensiune electrică. Atunci când fasciculul este întrerupt de un element opac al inelului, tensiunea dispare. În urma deplasării inelului se generează astfel o succesiune determinată de impulsuri de tensiune.

Prin compararea semnalelor, se poate determina deplasarea inelelor față de poziția inițială de referință, aceasta fiind stabilită pe baza unui semnal special provenit de la inelul valorilor absolute.

Toate aceste succesiuni de impulsuri sunt prelucrate în blocul de comandă al echipamentelor electronice de pe coloana de direcție.

Senzorul de cuplu al volanului (Figura 11.6).

Cuplul aplicat asupra volanului este măsurat de senzorul, montat direct pe capătul arborelui pinionului de antrenare al mecanismului de direcție. Principiul de funcționare al senzorului se bazează pe efectul magnetorezistiv.

Elementul magnetorezistiv al senzorului interacționează cu un disc magnetic, montat pe capătul arborelui pinionului de antrenare.

Senzorul de cuplu este amplasat în zona în care arborele volanului este conectat la mecanismul de direcție prin intermediul unei axe de torsiune. La extremitatea arborelui volanului este montat discul magnetic, pe circumferința căruia sunt dispuse 24 de zone cu polaritate alternativă. În procesul de măsurare a cuplului, la un moment dat este utilizată o singură pereche de poli magnetici.

La aplicarea unui cuplu asupra volanului, capătul arborelui volanului se rotește elastic față de capătul pinionului de antrenare, proporțional cu valoarea cuplului transmis. Ca urmare, discul magnetic se rotește relativ față de elementul magnetorezistiv al senzorului, iar semnalul electric corespunzător cuplului aplicat este transmis către unitatea de comandă a servodirecției.

Defectarea senzorului de cuplu impune înlocuirea mecanismului de direcție ca ansamblu și conduce la dezactivarea progresivă a asistării direcției. Dezactivarea controlată este realizată pe baza unui semnal de rezervă, calculat din semnalele senzorului unghiului volanului și ale unghiului rotorului motorului electric.

Motorul electric al servodirecției electromecanice

La sistemele de direcție cu acționare electrică (EPS) se utilizează următoarele tipuri de motoare electrice:

-   motoare de curent continuu cu perii (rar, utilizate la sisteme vechi);

-   motoare electrice asincrone, fără perii;

-   motoare electrice sincrone cu magneți permanenți (PMSM / BLDC).

În sistemele moderne EPS se utilizează preponderent motoare sincrone fără perii, cu magneți permanenți, integrate în carcasa casetei de direcție (Figura 11.7), datorită randamentului ridicat, cuplului mare la turații reduse și posibilității de control precis al asistării direcției.

Senzor de poziție al rotorului

Senzorul de turație al rotorului este integrat în motorul electric al servodirecției (Figura 11.8). Acesta este utilizat atât la motoarele sincrone cu magneți permanenți, unde este indispensabil pentru controlul precis, cât și la motoarele asincrone, unde contribuie la reglajul fin și siguranța sistemului. Senzorul funcționează pe baza principiului magnetorezistiv sau, în unele aplicații, cu senzori Hall: la rotirea rotorului, magnetul permanent de pe arbore generează un câmp magnetic variabil, detectat de elementul senzorului, care produce un semnal electric proporțional cu turația rotorului.

Senzorul de poziție al rotorului are rolul de a determina poziția rotorului motorului electric. Unitatea de comandă trebuie să cunoască poziția exactă a rotorului pentru a calcula corect tensiunile de fază necesare creării câmpului magnetic rotativ al statorului (comutație electronică pe baza semnalelor furnizate de senzori).

Semnalul senzorului de poziție al rotorului este utilizat, de asemenea, pentru determinarea apropierii de una dintre pozițiile limită ale mecanismului de direcție. În zona imediat apropiată de poziția limită, gradul de asistare al mecanismului de direcție crește „progresiv”, ceea ce permite evitarea loviturilor bruște în opritor la rotirea rapidă a volanului.

Construcție (Figura 11.9)

Pe rotor este montat un disc din material feromagnetic, prevăzut pe circumferința exterioară cu proeminențe asemănătoare unor came. Acest disc este înconjurat de un inel format din bobine magnetice montate în carcasă, care îndeplinește rolul de stator. Inelul este alcătuit din trei bobine separate: una funcționează ca bobină de excitație, iar celelalte două au rol de elemente senzitive (receptoare).

Principiul de funcționare

Bobina de excitație este alimentată cu un semnal de tensiune de formă sinusoidală. Câmpul magnetic generat de aceasta acționează asupra discului rotorului. Discul rotorului conduce fluxul magnetic al câmpului magnetic alternativ creat de bobina de excitație către bobinele receptoare.

Ca urmare, în bobinele receptoare se induce o tensiune alternativă defazată față de tensiunea din bobina de excitație, iar acest defazaj este proporțional cu poziția discului rotorului.

11.3           Diagnosticarea tehnică și mentenanța servodirecției electromecanice

Diagnosticarea servodirecției electromecanice implică evaluarea performanței și funcționalității sistemului. Descrierea etapelor esențiale care ar putea fi incluse în procesul de testare:

Verificare vizuală. Asigurați-vă că toți conductorii sunt integrați corect și că nu există coroziune la nivelul conectorilor.

2.   Senzorul de poziție și senzorul de cuplu al direcției – Dacă semnalul este întrerupt, sistemul utilizează o valoare implicită; funcția de revenire automată este dezactivată, dar asistarea la virare rămâne activă.

3.   Motorul electric și senzorul de turație al rotorului – În caz de defect, semnalul de rotație al volanului este folosit ca substitut, iar asistarea se decuplează gradual, prevenind oprirea bruscă a sistemului.

În cadrul lucrărilor de mentenanță, trebuie efectuate curățarea și protecția componentelor, verificarea și strângerea mecanismului pinion–cremalieră, înlocuirea componentelor defecte și resetarea/recalibrarea sistemului EPS prin diagnostic auto.

Setări și calibrare după intervenții

După înlocuirea oricărei componente, este necesară realizarea setărilor de bază: exemplu a unui proces de calibrare:

-   Conduceți pe o traiectorie rectilinie la o viteză de max. 20 km/h.

-   Rotiți volanul stânga–dreapta cel puțin 15°.

-   Aduceți volanul în poziția dreapta și opriți vehiculul.

-   Utilizați unitatea de diagnoză pentru selectarea și configurarea setărilor de bază.

-   Verificați poziția de referință a volanului prin senzor: valoarea trebuie să fie între -1,5° și +1,5°.

-   Conduceți din nou pe traiectorie rectilinie la 15–20 km/h pentru calibrarea finală a senzorului de unghi de rotație

Notă: Urmați întotdeauna instrucțiunile producătorului pentru procedurile de calibrare și diagnostic.