Fot. archiwum, TRW, Delphi

Elektryczny system wspomagający z silnikiem napędzającym wał kierownicy

Przy większych masach pojazdów, mocach silników i roz- miarach opon siła ludzkich nóg i rąk jest z reguły niewystarczająca do uruchamiania samochodowych układów hamulcowych i kierowniczych.

Wartość siły potrzebnej do skutecznego naciskania pedału hamulca lub obracania koła kierownicy redukowano początkowo przez stosowanie różnych mechanizmów dźwigniowych i zębatych, lecz odbywało się to zawsze kosztem wydłużenia roboczego ruchu nogi lub rąk kierowcy. Zwiększał się więc czas wykonywania poszczególnych manewrów, a tym samym malało bezpieczeństwo jazdy. Problem ten ze zrozumiałych względów pojawił się najpierw w konstrukcjach ciężkich pojazdów użytkowych. Tam też zastosowano pierwsze mechanizmy wspomagające w układach hamulcowych i kierowniczych.

Istota wspomagania polega na tym, że energia czerpana ze źródeł zewnętrznych uzupełnia w potrzebie wysiłek mięśni, lecz nie zastępuje go całkowicie. Przepisy wymagają bowiem, by cały wspomagany układ w razie awarii urządzeń wspomagających dawał się jeszcze obsługiwać siłami samego kierowcy. Warunku tego nie spełniają układy pneumatyczne i hydrauliczne, przy których rola kierującego sprowadza się do zamykania lub otwierania odpowiednich zaworów, więc pojazdy z takim wyposażeniem dopuszczane są do ruchu dzięki zastosowaniu w nich dodatkowych systemów zabezpieczających.

Wspomaganie hydraulicznych układów hamulcowych

Najstarsze rozwiązanie takiego mechanizmu wspomagającego wykorzystuje do zwiększania nacisku wywieranego przez pedał hamulca na tłok pompy hamulcowej podciśnienie panujące po przymknięciu przepustnicy w kanałach dolotowych silnika z zapłonem iskrowym. Pojawiło się w czasach, gdy takie silniki stosowane były jeszcze powszechnie w samochodach ciężarowych i autobusach. Potem znalazło zastosowanie w dużych luksusowych samochodach osobowych. Dziś w niezmienionej postaci stanowi standardowe wyposażenie ogromnej większości samochodów osobowych wszystkich klas, a także lekkich pojazdów dostawczych.

Przeponowy siłownik wspomagania podciśnieniowego umieszczany jest między pedałem hamulca a pompą hamulcową. Przepona dzieli wnętrze jego obudowy na dwie części, w których przy spoczynkowym położeniu pedału panuje identyczne podciśnienie dzięki połączeniu obu komór z kolektorem dolotowym silnika. Po naciśnięciu pedału następuje równocześnie lekkie przesunięcie tłoczka w pompie hamulcowej, otwarcie zaworu łączącego tylną komorę siłownika z atmosferą i zamknięcie zaworu łączącego obie komory. Różnica ciśnień panujących po dwu stronach przepony przemieszcza ją ku przodowi, co powoduje dodatkowe dociśnięcie tłoczka pompy. Działanie to trwa przez cały czas naciskania pedału. Kiedy jednak nacisk ten nie pogłębia się, ruch przepony powoduje zamknięcie połączenia tylnej komory z atmosferą i pozycja tłoczka stabilizuje się w dowolnym punkcie jego skoku. Po cofnięciu pedału następuje otwarcie kanału między komorami i przepona pod naciskiem sprężyny wraca do swego położenia spoczynkowego.

W pojazdach napędzanych silnikami wysokoprężnymi bez przepustnic w układach dolotowych można korzystać z identycznych urządzeń wspomagających pod warunkiem zainstalowania dodatkowej pompy wytwarzającej podciśnienie. W pojazdach użytkowych z silnikami wysokoprężnymi stosowano kilkadziesiąt lat temu do wspomagania hamulców hydraulicznych siłowniki nadciśnieniowe współpracujące ze sprężarkami, lecz rozwiązanie to nie wytrzymało konkurencji z całkowicie pneumatycznymi układami hamulcowymi.

^{Rys.: Wspomaganie nadciśnieniowo-hydrauliczne: 1. zasobnik, 2. pompa hamulcowa, 3. siłownik wspomagający, 4. zawór ładowania, 5. akumulator ciśnienia, 6. pompa hydrauliczna, 7. wspomaganie kierownicy}

Obecnie zamiast opisanych mechanizmów podciśnieniowych stosowane bywają coraz częściej wspomagające siłowniki hydrauliczne. Są one zasilane z akumulatorów ciśnienia stanowiących niezbędną część systemów ABS lub ESP, bądź też z pomp hydraulicznych używanych w systemach wspomagania układu kierowniczego.

^{Rys.: Hydrauliczny siłownik wspomagający (w położeniu spoczynkowym)}

Wspomaganie układów kierowniczych

Ten rodzaj systemów wspomagających stosowany jest obecnie we wszystkich pojazdach użytkowych, a także w większości samochodów osobowych z wyjątkiem najlżejszych i najtańszych. W ciężarówkach i autobusach występują niemal wyłącznie hydrauliczne urządzenia wspomagające, a w samochodach osobowych coraz popularniejsze stają się mechanizmy elektryczne. Niezależnie od wykorzystanej w nich zasady działania systemy te współpracują z mechanicznymi układami kierowniczymi.

Klasyczny system wspomagania hydraulicznego składa się z zasobnika płynu roboczego, pompy napędzanej przez silnik samochodu, układu sterującego uruchamianego kołem kierownicy i siłownika współpracującego z mechanizmem zwrotniczym. W większych samochodach osobowych, sportowych, ciężarowych i autobusach przekładnia kierownicza ma przeważnie konstrukcję śrubową z obiegiem kulek. Śruba sprzężona z wałem kierownicy wywołuje podczas obracania poosiowy ruch nakrętki, a ta z kolei zazębia się z wycinkiem koła zębatego osadzonego na wspólnej osi z ramieniem przekładni. Nakrętka jest równocześnie tłokiem siłownika, poruszającym się w cylindrycznym wnętrzu obudowy. Uruchamiany kierownicą zawór sterujący reguluje ciśnienie oleju (stosownie do szybkości ruchów kierownicy) i kieruje go, w zależności od kierunku skręcania kół, na jedną lub drugą stronę tłoka. Ciśnienie oleju przesuwa tłok-nakrętkę i tym samym uruchamia połączone z nią drążki kierownicze w czasie obracania koła kierownicy. Opór stawiany śrubie przez nakrętkę jest wówczas minimalny. Po zatrzymaniu się kierownicy ciśnienie hydrauliczne staje się jednakowe po obu stronach tłoka. Układ po wykonaniu skrętu umożliwia też samoczynny powrót kierownicy do pozycji neutralnej.

^{Rys.: Przekładnia zębatkowa ze wspomaganiem hydraulicznym: 1. zębatka połączona z tłokiem, 2. oś zębnika, 3. cylinder, 4. zasobnik, 5. pompa skrzydełkowa, 6. przewód powrotny, 7. zawór ograniczający ciśnienie, 8. przewód ciśnieniowy, 9. oś zaworu obrotowego, 10. wał kierownicy, 11. obrotowy zawór sterujący, 12. zewnętrzny rowek pierścieniowy, 13. wewnętrzne rowki pierścieniowe}

Opisana tu konstrukcja układu wspomagającego nie działa podczas holowania pojazdu z unieruchomionym silnikiem. Z tego powodu w ciężkich samochodach ciężarowych obowiązkowe jest stosowanie drugiej pompy hydraulicznej, sprzężonej z układem przeniesienia napędu.

W lżejszych samochodach osobowych znajdują zastosowanie przekładnie zębatkowe ze wspomaganiem hydraulicznym. Listwa zębata połączona jest w nich z tłokiem przesuwającym się w cylindrze siłownika o dwustronnym działaniu. Zależnie od kierunku skręcania kierownicy płyn roboczy o płynnie regulowanym ciśnieniu doprowadzany jest na jedną lub drugą stronę tłoka, a decyduje o tym obrotowy zawór sterujący, połączony z zębnikiem. Pozostałe części są identyczne, jak w systemach z przekładniami śrubowymi.

^{Rys.: System z elektronicznie regulowaną wartością siły wspomagania: 1. siłownik hudrauliczny, 2. przekładnia kierownicza, 3. czujnik momentu obrotowego koła kierownicy}

W mniejszych pojazdach istotna wada klasycznego wspomagania hydraulicznego polega na tym, że pracująca w sposób ciągły pompa zużywa stosunkowo dużą część mocy silnika. Poza tym jej nagłe unieruchomienie podczas jazdy (np. z powodu zerwania paska napędowego) powoduje skokowy i nieoczekiwany wzrost siły potrzebnej do obracania kierownicą. Niedogodności te zostały złagodzone przez zastąpienie mechanicznego napędu pompy silnikiem elektrycznym włączającym się jedynie w momencie zapotrzebowania na ciśnienie hydrauliczne w układzie. Zużycie energii wynosi wówczas tylko 25% wartości potrzebnej przy pompie napędzanej mechanicznie. Podobnych wad nie mają w ogóle elektromechaniczne systemy wspomagania, w których źródłem energii są silniki elektryczne działające bezpośrednio na wał kierownicy. Są całkowicie niezależne od działania silnika pojazdu, a ich pobór mocy dostosowany jest precyzyjnie do aktualnego zapotrzebowania. Mają też prostszą, a zatem bardziej niezawodną konstrukcję. Nie wymagają żadnej eksploatacyjnej obsługi (w systemach hydraulicznych konieczna jest okresowa wymiana płynu roboczego i regularne sprawdzanie jego poziomu w zasobniku).

Silnik elektryczny układu wspomagania może być umieszczony na wale kierowniczym, obok przekładni zębatkowej albo wręcz w jej wnętrzu. Sterowanie wartością momentu silnika elektrycznego umożliwia czujnik momentu obrotowego wywieranego przez kierowcę na koło kierownicy, zainstalowany wprost na dolnym końcu wału kierowniczego lub na obudowie przekładni ślimakowej. Elektroniczny sterownik układu odbiera sygnały z czujnika momentu oraz sygnały z czujników prędkości jazdy, aktualnego przełożenia skrzyni biegów, hamowania itp. Na tej podstawie ustalany jest kierunek i wartość prądu płynącego do silnika wspomagającego.

Elektroniczna regulacja mocy silnika elektrycznego umożliwia więc powiązanie siły wspomagania z prędkością jazdy (przy większych prędkościach wspomaganie może być słabsze), momentem obrotowych przekazywanym na koła lub z obciążeniem pojazdu, a nawet uzyskanie efektu zmiennego przełożenia przekładni kierowniczej.

Główną wadą elektrycznych systemów wspomagających jest niewielka moc silników zasilanych napięciem 12 V,  co ogranicza ich stosowanie do pojazdów o małych obciążeniach osi kierowanej.

_{Rys. poniżej: Hydrauliczne wspomaganie kierownicy z elektrycznym napędem pompy}

Tweet

Redakcja Miesięcznika Branżowego Autonaprawa