Электромеханический усилитель рулевого управления имеет много преимуществ по сравнению с гидравлическим. Это устройство помогает водителю, снижая как физическое усилие, так и психологическую нагрузку, связанную с управлением автомобилем. При этом усилитель включается в работу при необходимости, т. е. только в том случае, когда водителю требуется помощь при повороте рулевого колеса. Поддерживающее усилие зависит от скорости движения авто, момента силы, приложенной к рулю, и угла поворота
Механические узлы рулевого управления
Рулевой привод
С помощью электромеханического усилителя рулевого управления с параллельным приводом посредством сервомотора на зубчатой рейке создается необходимое усилие. Сервопривод состоит из электродвигателя V187, гайки на шариках и блока управления усилителя рулевого управления J500.
В данной системе рулевого управления применен привод, основанный на вновь разработанном принципе. С помощью гайки на шариках вращение электродвигателя преобразуется в поступательное движение и передается на зубчатую рейку рулевого управления.
Конструкция
Вращательное движение от электродвигателя, ось которого параллельна зубчатой рейке, через зубчатый ремень передается на гайку на шариках. Основным узлом рулевого привода является гайка на шариках, прочно закрепленная в корпусе и навинченная на рулевую рейку с винтовой резьбой.
Основной конструктивной особенностью такого привода является наличие в гайке возвратных каналов для шариков.
Принцип работы
Гайка может вращаться в любом направлении, как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Поскольку рулевая рейка в месте расположения гайки имеет винтовую резьбу, при вращении гайки она может перемещаться в любую сторону.
Шарики при вращении гайки движутся по резьбовым канавкам на рулевой рейке. При вращении гайки через возвратные каналы шарики возвращаются в исходное положение. Рассматривая пять отстоящих по времени ситуаций, имеющих место при вращении гайки в направлении часовой стрелки, можно наглядно проследить за движением двух конкретных шариков. Гайка имеет две независимые системы циркуляции с шариками и возвратными каналами. Каждая из этих систем является зеркальным отображением другой. Возвратные каналы необходимы для того, чтобы шарики не дошли до упора и не блокировали рулевое управление.
Ситуация 1
Шарик 1 выходит из возвратного канала и направляется вниз по резьбовой канавке. Шарик 2 выходит из возвратного канала и направляется по резьбовой канавке вверх (на представленном изображении не виден, находится за рейкой).
Ситуация 2
Шарик 1 движется по резьбовой канавке (на представленном изображении не виден, находится сзади рейки) вверх. Шарик 2 движется по резьбовой канавке вниз.
Ситуация 3
Шарик 1 движется по резьбовой канавке вниз. Шарик 2 движется по резьбовой канавке (в представленном изображении не виден, находится сзади рейки) вверх.
Ситуация 4
Шарик 1 движется по резьбовой канавке (в представленном изображении не виден, находится сзади рейки) вверх. Шарик 2 движется по резьбовой канавке вниз.
Ситуация 5
Оба шарика через возвратные каналы своей системы циркуляции возвращаются в исходное положение. Таким образом, гайка может вращаться вокруг рейки и перемещать ее в обе стороны в широком диапазоне.
Электрические элементы рулевого управления
Датчик угла поворота рулевого колеса G85
Датчик угла поворота рулевого колеса G85 находится за контактным кольцом подушки безопасности. Он расположен между рулевым колесом и блоком подрулевых переключателей. Датчик угла поворота рулевого колеса передает сигнал, зависящий от его величины, через шину CAN в блок управления рулевой колонки J527. В блоке управления рулевой колонки производится измерение поступающего сигнала.
Работа системы при отказе датчика
При выходе датчика из строя запускается аварийная программа. Отсутствующий сигнал от датчика заменяется резервной величиной. Усилитель рулевого управления остается в рабочем состоянии.
О наличии неисправности сигнализирует свечение контрольной лампы электромеханического усилителя рулевого управления K161.
При этом оказываются отключенными следующие функции:
- активная обратная реакция;
- программные установки конечных положений;
- корректировка прямолинейного движения.
Принцип действия
Основными элементами датчика угла поворота являются:
- кодировочный диск с двумя кодировочными кольцами;
- сопряженные оптоэлектронные пары, состоящие из источника света и оптического приемника.
Кодировочный диск состоит из двух колец — наружного, предназначенного для абсолютного измерения, и внутреннего для определения относительных изменений угла.
Кольцо для измерения относительных изменений угла разделено на 5 сегментов по 72°, а его показания считываются с помощью оптоэлектронной пары. В пределах каждого из сегментов кольца имеются прорези. Интервалы между прорезями в пределах сегментов одинаковы, но эти эти интервалы различны для каждого из сегментов. Тем самым кодируется каждый из сегментов.
Кольцо для абсолютного измерения определяет значение угла. Это значение определяется с помощью 6 оптоэлектронных пар.
Датчик угла поворота может измерить угол до 1044°. Он суммирует все углы поворота. При прохождении отметки 360°датчик определяет, что произведен полный оборот рулевого колеса.
Конструкция датчика позволяет измерять угол поворота рулевого колеса при его повороте максимум на 2,76 оборота.
Измерение угла производится с помощью оптоэлектронной пары источник-приемник.
Рассмотрим для простоты работу кольца для определения изменений угла поворота. С одной стороны кольца с прорезями находится источник света, а с другой стороны — приемник.
Когда свет через прорезь попадает на приемник, на его выходе формируется электрический сигнал. Когда источник света перекрывается, электрический сигнал пропадает.
Когда кольцо поворачивается, на выходе фотоприемника формируется последовательность электрических импульсов.
То же самое происходит на выходе фотоприемника при повороте кольца для абсолютных измерений. Эти последовательности электрических импульсов обрабатываются в блоке управления рулевой колонки.
Сравнивая эти сигналы, система может определить, насколько повернуты кольца. При этом исходной точкой для отсчета является показание абсолютной части датчика.
Датчик момента поворота рулевого колеса G269
Момент усилия, приложенного водителем к рулевому колесу, является основой для расчета поддерживающего усилия со стороны усилителя рулевого управления. Величина момента усилия на рулевом колесе измеряется непосредственно на вале-шестерне рулевой колонки с помощью датчика момента G269. При этом производится измерение угла поворота входного вала рулевой колонки относительно вала-шестерни, и измеренная величина преобразуется в аналоговый электрический сигнал.
Конструкция
В датчике момента поворота входной вал рулевой колонки и вал-шестерня соединены между собой торсионным стержнем. Этот торсионный стержень обладает известной крутильной жесткостью.
Шестнадцатиполюсный кольцевой магнит (восемь пар полюсов) соединен со входным валом рулевой колонки и вращается вместе с ним. Два статора, каждый с восемью зубцами, соединены с валом-шестерней и вращаются вместе с ним. В исходном положении зубцы статоров располагаются точно между соответствующими полюсами находящихся по кругу магнитов.
Датчики Холла закреплены на корпусе и при вращении рулевого колеса остаются неподвижными.
Принцип работы
Датчик является бесконтактным, и его работа основана на магниторезистивном эффекте. Величина и направление магнитного потока между статором 1 и статором 2 находится в прямой зависимости от момента усилия на рулевом колесе и измеряется с помощью двух линейных датчиков Холла (схема с резервной цепью). В зависимости от усилия, приложенного к рулевому колесу, и от соответствующего угла закручивания торсионного стержня сигнал датчика Холла изменяется от нуля до максимального значения.
Нулевое положение
При нулевом положении датчика момента поворота зубцы статора 1 и статора 2 находятся точно посередине между полюсами магнитов. Таким образом, ни статор 1, ни статор 2 не ориентированы на один из полюсов магнитов. Магнитное поле между статорами отсутствует. Датчики Холла питаются напряжением 5 В. Поскольку магнитное поле между статорами отсутствует, датчики Холла дают сигнал нулевого положения 2,5 В.
Положение максимального сигнала
Когда водитель поворачивает руль, торсионный стержень между входным валом рулевой колонки и валом-шестерней закручивается на некоторый угол. Кольцевой магнит поворачивается относительно статора 1 и статора 2. Когда все восемь зубцов статора 1 устанавливаются напротив северного полюса кольцевого магнита, а все восемь зубцов статора 2 — напротив южного полюса, датчик находится в состоянии максимального сигнала. Это означает, что статор 1 намагничен в северном направлении, а статор 2 — в южном.
Между двумя статорами образуется магнитное поле. Это поле обнаруживают датчики Холла и преобразуют его в электрический сигнал. Когда датчик Холла A выдает максимальное напряжение 4,5 В, датчик Холла B выдает минимальное напряжение 0,5 В.
При повороте руля в противоположном направлении датчик Холла A выдает напряжение 0,5 В, а датчик Холла B — 4,5 В.
Работа системы при отказе датчиков
При выходе из строя датчика момента поворота рулевого колеса рулевой привод необходимо заменить. При обнаружении этого дефекта усилитель рулевого управления будет отключен. Однако это отключение происходит не внезапно, а «мягко».
Для того чтобы обеспечить это «мягкое» отключение, блок управление вычисляет на основе углов поворота рулевого колеса и ротора электродвигателя замену для отсутствующего сигнала от датчика момента. О наличии неисправности сигнализирует свечение красным цветом контрольной лампы электромеханического усилителя рулевого управления K161.
Датчик оборотов двигателя G28
Датчик оборотов двигателя представляет собой датчик Холла. Он установлен в крышке коленчатого вала.
Использование сигнала
С помощью сигнала датчика оборотов двигателя в блоке управления двигателя осуществляется измерение числа оборотов двигателя и определяется точное положение коленчатого вала.
Работа системы при отказе датчика
При отказе датчика числа оборотов рулевое управление начинает использовать клемму 15. Контрольная лампа электромеханического усилителя рулевого управления K161 не сигнализирует о данной неисправности.
Скорость автомобиля
Сигнал о скорости автомобиля предоставляет блок управления ABS.
Работа системы при отсутствии сигнала
При пропадании сигнала о скорости автомобиля запускается аварийная программа. Водителю предоставляется полная поддержка со стороны усилителя рулевого управления, за исключением функции Servotronic. Контрольная лампа электромеханического усилителя рулевого управления K161 сигнализирует о данной неисправности, светясь желтым цветом.
Электродвигатель электромеханического усилителя рулевого управления V187
Электродвигатель усилителя рулевого управления V187 установлен в корпусе рулевого механизма, и его вал расположен параллельно рулевой рейке. Поддерживающее усилие для рулевого механизма передается от электродвигателя на гайку посредством зубчатого ремня. Максимальный крутящий момент электродвигателя, направленный на поддержку рулевого усилия, составляет 4,5 Нм.
Двигатель электромеханического усилителя рулевого управления V187 является 3-фазным синхронным электродвигателем. Ротор синхронного электродвигателя вращается синхронно с магнитным полем статора.
По сравнению с асинхронным двигателем синхронный обладает рядом преимуществ.
- Он легче.
- Он более долговечен, потому что не имеет щеток.
- В качестве ротора в нем используется постоянный магнит.
- Он не требует настроек.
- Он экономичен и обладает быстрой реакцией отклика.
Синхронный двигатель обладает высоким электрическим КПД, поскольку отсутствует необходимость расходовать энергию на ток возбуждения, как у асинхронного двигателя. Благодаря этому снижается потребление электроэнергии по сравнению с другими системами рулевого усилителя.
Работа системы в аварийной ситуации
При выходе из строя электродвигателя усилитель рулевого управления не работает.
Конструкция
Двигатель электромеханического усилителя рулевого управления состоит из ротора и статора. Ротор представляет собой 6-полюсный кольцевой магнит, изготовленный из сплава с редкоземельными элементами. Магниты из редкоземельных сплавов позволяют получать сильные магнитные поля при минимальных конструктивных размерах.
Статор состоит из 9 обмоток и 9 многослойных магнитопроводов. Это количество формирует несимметричную конструкцию. Обмотки выполнены в форме синусоид, смещенных относительно друг друга и скоммутированных таким образом, что три магнитных поля образуют результирующее поле, которое движет за собой ротор. Для улучшения плавности вращения ротора полюса его магнитов расположенны наклонно.
Принцип работы
При протекании электрического тока через обмотки в статоре возникает вращающееся магнитное поле. Магниты статора ведут себя подобно стрелке компаса в магнитном поле земли, относительно направления вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками. Изменяя ток, можно изменять число оборотов и направление вращения. Благодаря некратному числу обмоток (9) и магнитных полюсов ротора (6) ротор самопроизвольно начинает вращаться. Предварительного возбуждения не требуется. Ротор вращается синхронно с полем, создаваемым током, протекающим через статор. Поэтому данный электродвигатель называют синхронным электродвигателем.
Датчик положения электродвигателя
Датчик положения электродвигателя является составной частью электродвигателя электромеханического усилителя рулевого управления V187. К нему нет доступа снаружи.
Конструкция
На конце вала находится датчик положения электродвигателя. Работа датчика положения электродвигателя основана на принципе резольвера. Он состоит из статора резольвера с 10 обмотками и ротора резольвера. Ротор резольвера представляет собой пакет металлических дисков.
Использование сигнала
Датчик положения электродвигателя служит для определения абсолютного положения ротора в пределах одного оборота. Кроме того, этот сигнал используется для определения числа оборотов электродвигателя и направления вращения. Таким образом, датчик дает информацию о точном положении электродвигателя электромеханического усилителя рулевого управления V187, которая необходима для прецизионного управления этим двигателем.
Работа системы в аварийной ситуации
При выходе датчика из строя усилитель рулевого управления перестает работать. Контрольная лампа электромеханического усилителя рулевого управления K161 сигнализирует о данной неисправности, светясь красным цветом.
Блок управления усилителя рулевого управления J500
При неисправном блоке управлениярулевой механизм необходимополностью заменить.
Блок управления с помощью винтов и клея закреплен на механизме рулевого привода. Контакты блока управления припаяны к контактам электродвигателя, и это соединение является неразъемным. Корпус рулевого механизма является хорошим теплоотводом для блока управления, поэтому даже при сильном тепловыделении в блоке управления заметного повышения температуры не происходит, и поддержка со стороны усилителя рулевого управления не снижается.
На основе входных сигналов, таких как:
- сигнал датчика угла поворота рулевого колеса G85,
- сигнал датчика числа оборотов двигателя G28,
- сигнал датчика момента поворота рулевого колеса и число оборотов электродвигателя, а также
- сигнал скорости авто
Блок управления принимает решение о необходимом уровне поддержки со стороны усилителя рулевого управления. Далее рассчитывается необходимая для привода электродвигателя V187 величина и направление тока в статоре.
Работа системы в аварийной ситуации
Для контроля температуры рулевого механизма в блоке управления имеется датчик температуры. Если температура поднимается выше 100°C, поддержка со стороны усилителя рулевого управления постепенно снижается.
Если эффективность поддержки падает ниже 60%, контрольная лампа электромеханического усилителя рулевого управления K161 начинает светиться желтым светом.
Контрольная лампа электромеханического усилителя рулевого управления K161
Контрольная лампа электромеханического рулевого управления находится на панели индикации комбинации приборов. Она служит для индикации ошибок и неисправностей электромеханического рулевого управления. Для индикации ошибок в контрольной лампе используются два цвета. Свечение желтым цветом означает предостережение. При красном свечении контрольной лампы электромеханического усилителя необходимо срочно обратиться в сервисный центр. При появлении красного свечения контрольной лампы раздается предупредительный звуковой сигнал — троекратный удар гонга.
При включении зажигания контрольная лампа электромеханического усилителя рулевого управления загорается красным светом, пока система рулевого управления проводит самотестирование.
После того как блок управления рулевого управления сообщает о исправности системы, контрольная лампа гаснет. Самотестирование продолжается примерно 2 секунды. После запуска двигателя контрольная лампа сразу гаснет.
Особенности
Буксировка
При условии, что
- скорость превышает 7 км/ч и
- зажигание включено,
усилитель рулевого управления будет работать.
Разряд аккумуляторной батареи
Система рулевого управления распознает и соответствующим образом реагирует на слишком низкое напряжение. Если напряжение батареи падает до 9 В, то поддерживающее усилие снижается, и контрольная лампа электромеханического усилителя рулевого управления загорается желтым светом. Если напряжение батареи опускается ниже 9 В, усилитель рулевого управления отключается и контрольная лампа загорается красным светом. При кратковременном падении напряжения ниже 9 В контрольная лампа загорается желтым светом.
Функциональная схема
A - шина CAN Low
B - шина CAN High
G269 - датчик момента поворота рулевого колеса
J500 - блок управления усилителя рулевого управления
S - предохранитель
V187 - электродвигатель электромеханического усилителя рулевого управления
Сервис
Диагностика
Компоненты электромеханического рулевого управления наделены функцией самодиагностики.
Установка крайних положений рулевого механизма
Для того чтобы в крайних точках ограничение хода рулевого механизма не происходило посредством жесткого механического упора, разработана специальная программа. «Запрограммированный упор» и торможение включаются, не доходя примерно 5° поворота руля до механического упора. При этом поддержка рулевого усилия уменьшается с учетом угла поворота рулевого колеса и скорости его вращения, и даже формируется противодействующая сила.
В режиме «Базовые установки» необходимо с помощью тестера стереть установки для углов упора. Для установки новых углов упора (инициализации) необходимо использовать руководство по ремонту и режим «Ведомый поиск неисправностей» или «Ведомые функции».
