Στο αυτοκίνητο του μέλλοντος η καλωδιακή επικοινωνία των μηχανικών μερών θα είναι επιτακτική όσο και αν πρακτικά κωλύματα καθυστερούν το αναπόφευκτο…
Αρκεί κανείς να συγκρίνει την τεχνολογική μετουσίωση του αυτοκινήτου στην πάροδο των ετών και θα καταλήξει σε ένα από τα πιο αντιπροσωπευτικά δείγματα της τεχνολογικής έξαρσης που χαρακτηρίζει την περίοδο από τις αρχές του περασμένου αιώνα μέχρι και τις μέρες μας. Από τις πρωτόγονες κατασκευές που εκκινούσαν με μανιβέλα και στρίγκλιζαν με κλάξον η δομή του σύγχρονου αυτοκινήτου έχει αλλάξει ριζικά αφού ολοένα και περισσότερα από τα μέρη του αυτοκινήτου ελέγχονται ηλεκτρονικά. Πόσο όμως μπορεί να εξελιχθεί η τεχνολογία του αυτοκινήτου στο μέλλον; «Εφ΄ όλης της ύλης» θα μπορούσε να απαντήσει κανείς ανεξάρτητα αν θα χρειασθεί να περάσουν δεκαετίες, ίσως και αιώνες. Το αυτοκίνητο αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι της σύγχρονης κοινωνίας, της καθημερινής μας ζωής. Για αυτό το λόγο ο άνθρωπος δεν πρόκειται ποτέ να σταματήσει την βελτίωση του, την εξέλιξη του. Οι βασικές ωστόσο αρχές λειτουργίας του αυτοκινήτου, όσο και αυτό αν αλλάξει, δεν πρόκειται να αλλοιωθούν ποτέ. Γιατί αυτό πάντα θα χρειάζεται να στρίβει, να επιταχύνει, να επιβραδύνει -και ποιος ξέρει- κάποια στιγμή στο απώτερο μέλλον να πετάει!
Ας επιστρέψουμε όμως στο παρόν και να αναφερθούμε στην τεχνολογία drive-by-wire η οποία αναμένεται να εισβάλλει συνεχώς στην αυτοκινητοβιομηχανία έστω και με αργούς ρυθμούς. Τι ακριβώς είναι όμως αυτό που θα καθιερώσει την συγκεκριμένη τεχνολογία αιχμής στο μέλλον; Με απλά λόγια, το όλο σύνολο αποτελεί συγκερασμό εφαρμογή επιμέρους συστημάτων by-wire τα οποία επιτρέπουν την καλωδιακή επικοινωνία των μερών του αυτοκινήτου (όπως τα συστήματα διεύθυνσης και πέδησης) καταργώντας ουσιαστικά οποιοδήποτε μηχανικό σύνδεσμο. Οι εντολές του οδηγού μετατρέπονται από αισθητήρες ή διακόπτες σε ηλεκτρικά σήματα και μέσω καλωδίων μεταβιβάζονται σε ισχυρές ηλεκτρονικές μονάδες οι οποίες με την σειρά τους ρυθμίζουν ανάλογα σερβοκινητήρες ή βαλβίδες. Όλα αυτά βέβαια προϋποθέτουν την αναβάθμιση του ηλεκτρικού δικτύου από τα 12V στα 42V καθώς τέτοιου είδους τεχνολογία είναι ιδιαίτερα ενεργοβόρα. Δίχως καθυστέρηση μπορεί γρήγορα κανείς να συμπεράνει τα πλεονεκτήματα του συνόλου drive-by-wire. Ένα από αυτά αφορά στην μείωση του συνολικού βάρους ενός οχήματος αφού την θέση των υδραυλικών κυκλωμάτων, όπως αυτό των φρένων, και της κολόνας του τιμονιού έχουν πάρει έχουν λάβει καλώδια. Επιπλέον η καλωδιακή επικοινωνία παρέχει ταχύτερη ανταπόκριση των παραπάνω συστημάτων, έλεγχο με απόλυτη ακρίβεια ενώ καταναλώνουν μικρότερο έργο από την κινητήρια δύναμη του αυτοκινήτου.
Σε αυτό το σημείο όμως καταλήγουμε και στο ζουμί της υπόθεσης. Μην νομίζετε ότι οι μερικές αυτοκινητοβιομηχανίες δίνουν ιδιαίτερη βαρύτητα στα συστήματα by-wire αναζητώντας λύσεις μέχρι και σε αεροναυπηγικές εταιρίες όπως η σουηδική SKF με ανιδιοτελείς κίνητρα. Διότι κακά τα ψέματα αλλά ο θερμικός κινητήρας θα αρχίσει σε μερικές δεκαετίες να εκτοπίζεται άλλες μορφές ενέργειας με εναλλακτικά καύσιμα όπως τα περιβόητα οχήματα με ενεργειακές κυψέλες (fuel cells), τεχνολογία την οποία θα αναλύσουμε προσεχώς. Όταν έρθει λοιπόν η στιγμή που μοντέλα τεχνολογίας fuel cells θα παράγονται μαζικά οι κατασκευαστές θα πρέπει να είναι ήδη προετοιμασμένοι αφού τέτοιου είδους τεχνολογία επιτάσσει την καλωδιακή επικοινωνία. Ψήγματα από τεχνολογία drive-by-wire χρησιμοποιούνται ήδη στα σημερινά αυτοκίνητα έστω και σε πολύ μικρότερο βαθμό από ότι μας επιφυλάσσει το μέλλον. Θυμάστε την παραδοσιακή ντίζα η οποία ανοιγόκλεινε την πεταλούδα κάθε φορά που πιέζαμε το πεντάλ του γκαζιού; Δεν υπάρχει πια αφού στα περισσότερα από τα πρόσφατα μοντέλα έχει αντικατασταθεί από έναν ροοστάτη (ποτενσιόμετρου ή οπτικού τύπου που διαβάζει την κίνηση του πεντάλ και μεταβιβάζει μέσω καλωδίων στον εγκέφαλο του κινητήρα την πρόθεση του οδηγού για επιτάχυνση. Ποιο το όφελος; Η ακρίβεια που προσφέρει ο ηλεκτρονικός έλεγχος του συστήματος ψεκασμού με όποιες συνέπειες στον τομέα της κατανάλωσης.
Steer-by-wire
Η απορρόφηση ενέργειας από διάφορα μέρη παρελκυόμενα μηχανικά μέρη είναι κάτι το οποίο προβλημάτιζε ανέκαθεν τους κατασκευαστές. Για αυτό το λόγο η καλωδιακή επικοινωνία προσβάλλει και τα συστήματα διεύθυνσης, τα περιβόητα συστήματα steer-by-wire τα οποία βασίζονται στα αντίστοιχα fly-by-wire. Μερικοί ίσως να γνωρίζουν πως οι πρώτοι καλωδιακοί δίαυλοι εμφανίστηκαν στις αρχές της δεκαετίας του ΄50 στην αεροδιαστημική για να μεταφερθούν και στην αεροναυπηγική. Συγκεκριμένα, στις 25 Μαίου του 1972 ήταν η πρώτη φορά που ο έλεγχος ενός κατάλληλα τροποποιημένου F-8 Crusader πραγματοποιούνταν εντελώς ηλεκτρονικά. Τα καλωδιακά συστήματα αντικατέστησαν τα υδραυλικά και φανταστείτε το όφελος από την εξοικονόμηση βάρους. Στα τέλη του αιώνα τα πολλά αεροσκάφη εξοπλίζονταν με fly-by-wire, από τα μαχητικά F/A-18 έως και τα πολιτικά Boeing 777.
Ας μειώσουμε όμως… ύψος και ας επιστρέψουμε στα συστήματα drive-by-wire τα οποία κάνουν αισθητή ολοένα και περισσότερο την παρουσία τους σε κάθε concept car που παρουσιάζονται κατά καιρούς στις εκθέσεις αυτοκινήτου. Μερικά από αυτά είναι το C-Crosser της Citroen καθώς και το Hy-Wire της General Motors. Σε αυτά τα αυτοκίνητα η αλλαγή κατεύθυνσης πραγματοποιείται από μια τιμονιέρα που παραπέμπει στα video games ενώ η παραδοσιακή κολόνα του τιμονιού και τα πεντάλ απλά δεν υφίσταται. Όλες οι λειτουργίες είναι συγκεντρωμένες στο πηδάλιο. Το γεγονός αυτό συμβάλλει σημαντικά στον τομέα της παθητικής ασφάλειας αφού μειώνεται επικείμενος κίνδυνος τραυματισμού σε περίπτωση σύγκρουσης. Από την άλλη ο χώρος για τα πόδια του οδηγού αυξάνεται σημαντικά ενώ οι συνθήκες είναι σαφώς ξεκούραστες αφού δεν εκτελούν καμία λειτουργία. Ανάλογα με τις συνθήκες κίνησης του αυτοκινήτου μεταβάλλεται η αίσθηση και η ανταπόκριση του τιμονιού ενώ σε μερικές περιπτώσεις υπάρχει και ανάδραση. Σε διαδικασία στάθμευσης δεν χρειάζεται να περιστρέψετε το τιμόνι περισσότερο από τρείς φορές για τους απαραίτητους ελιγμούς. Το software του steer-by-wire έχει ήδη αναγνωρίσει την όλη κατάσταση και μεταβάλλει ανάλογα τις στροφές του τιμονιού ώστε με μόλις μισή περιστροφή του βολάν να παρκάρετε γρήγορα και εύκολα. Η αυξομείωση της ταχύτητας του αυτοκινήτου επιτυγχάνεται είτε από διακόπτες είτε από μανέτες όπως αυτές που ρυθμίζουν το γκάζι στις μοτοσικλέτες.
Η βασική διαφορά αφορά στον τρόπο λειτουργίας τους και στην τοποθέτηση τους. Για παράδειγμα στην περίπτωση του Citroen C-Crosser η αριστερόστροφη περιστροφή της μανέτας επιταχύνει ενώ αντίθετα η δεξιόστροφη επιβραδύνει το αυτοκίνητο. Οι αλλαγές των σχέσεων του κιβωτίου πραγματοποιούνται αυτόματα αλλά όταν το θελήσεις μπορείς να απολαύσεις την χειροκίνητη μετάβαση πιέζοντας το μπουτόν στο άνω τμήμα της αριστερής μανέτας για να «κατεβάσεις» και εκείνο της δεξιάς για να «ανεβάσεις». Με τον ίδιο τρόπο χειρίζεται και το GM Hy-Wire αν και ο τρόπος επιβράδυνσης είναι διαφορετικός αφού για να επιβραδύνεις χρειάζεται να τραβήξεις τις μανέτες όπως στα αεροσκάφη. Άλλοι κατασκευαστές όπως η Mercedes-Benz είχε παρουσιάσει πριν από περίπού πέντε χρόνια την δική της steer-by-wire άποψη. Για την αλλαγή κατεύθυνσης δεν υπήρχε τιμονιέρα αλλά μοχλός τύπου joystick. Στο πρωτότυπο F 200 Imagination τα joysticks στρέφονταν υπό μέγιστη γωνία +/- 20 μοιρών για να στρίψεις ενώ για να αυξομειώσεις ταχύτητα απλά τα σπρώχνεις εμπρός ή πίσω. Τόσο απλά σαν να παίζεις video game!
Brake-by-wire
Στο πλαίσιο της καλωδιακής τεχνολογίας συγκαταλέγεται και η αντικατάσταση του υδραυλικού κυκλώματος των φρένων. Στο μέλλον η εντολή του οδηγού για επιβράδυνση θα μεταφέρεται από το πεντάλ (ή καλύτερα την μανέτα) μέσω καλωδίων στην ηλεκτρονική μονάδα και εν συνεχεία η πίεση στο δισκόφρενο θα ρυθμίζεται από μια βαλβίδα ή ένα σερβοκινητήρα. Η εποχή όμως που το σύστημα πέδησης θα ελέγχεται εξολοκλήρου by-wire είναι ακόμα αρκετά μακριά. Έτσι οι κατασκευαστές έχουν υιοθετήσει υβριδικά συστήματα τα οποία συνδυάζουν καλώδια και υδραυλικά έμβολα. Προς το παρόν το πιο πρόσφατο δείγμα brake-by-wire φέρει την σφραγίδα της Bosch για λογαριασμό της Mercedes-Benz. To SBC (Sensotronic Brake Control) τοποθετείται στην σειρά SL και είναι το πρώτο ουσιαστικά σύστημα το οποίο διαθέτει καλωδιακή τεχνολογία. Όμως κάθε μη δοκιμασμένη λύση εγκυμονεί δυσλειτουργίες και για αυτό τον λόγο το SBC συνδυάζεται με ένα τυπικό υδραυλικό κύκλωμα το οποίο θα λειτουργήσει εφεδρικά όταν χρειασθεί. Ωστόσο, υπό φυσιολογικές συνθήκες το σύστημα πέδησης ελέγχεται καλωδιακά και με μεγαλύτερη αποτελεσματικά.
Για παράδειγμα το SBC έχει την δυνατότητα να ελέγχει το μέγεθος της επιβράδυνσης ανεξάρτητα σε κάθε τροχό. Στην διάρκεια στροφής η πίεση στον εξωτερικό τροχό είναι μεγαλύτερη σε σχέση με αυτή που ασκείται στον εσωτερικό βελτιώνοντας την δυναμική ισορροπία του αυτοκινήτου, σε συνδυασμό με το ηλεκτρονικό σύστημα ευστάθειας (ESP). Μία ακόμα από τις αρετές του συστήματος που εντυπωσιάζει είναι η ικανότητα του να μαντεύει την πιθανή περίπτωση φρεναρίσματος πανικού. Ένας αισθητήρας στο πεντάλ του γκαζιού αναγνωρίζει την στιγμή που ο οδηγός θα τραβήξει απότομα το πόδι του από αυτό. Αν κάτι τέτοιο συμβεί τότε η ηλεκτρονική μονάδα του συστήματος προ-αυξάνει την πίεση των φρένων μειώνοντας τον χρόνο ανταπόκρισης. Αλλά δεν είναι μόνο αυτό. Πολλά μπορούν να γίνουν με την βοήθεια των ηλεκτρονικών συστημάτων. Ο εγκέφαλος του αυτοκινήτου γνωρίζει τις συνθήκες περιβάλλοντος που κινείται το αυτοκίνητο από το θερμόμετρο, από αισθητήρες υγρασίας και από τον αισθητήρα βροχής (που βρίσκεται στο παρμπρίζ για να ενεργοποιεί αυτόματα τους υαλοκαθαριστήρες). Όταν η υγρασία είναι υπερβολική και συνδυάζεται με χαμηλές θερμοκρασίες η πίεση στα έμβολα των φρένων αυξάνεται ελάχιστα σε τακτά χρονικά διαστήματα. Με αυτόν τον τρόπο τα τακάκια «χαϊδεύουν» τους δίσκους ώστε να απομακρύνουν το φιλμ υγρασίας και να διατηρούν την σωστή θερμότητα απόδοσης.
BMW Active Steering
Τιμονιέρες όπως σε video games και joysticks κάποια στιγμή στο μέλλον θα αποτελούν φυσιολογικό μέρος του αυτοκινήτου το οποίο θα μοιάζει σε ελάχιστα σημεία με αυτό που ξέρουμε σήμερα. Μέχρι όμως να έρθει αυτή η εποχή θα περάσει αρκετός χρόνος για να βελτιωθεί και να εξακριβωθεί η αξιοπιστία συστημάτων by-wire. Διότι αν την στιγμή που οδηγείτε κάποιο από τα πάμπολλα ηλεκτρονικά τμήματα εμφανίσει δυσλειτουργία τι γίνεται; Πως θα στρίψει ή πως θα φρενάρει κάποιο όχημα; Έτσι λοιπόν οι κατασκευαστές αυτοκινήτων προχωρούν με σταθερά βήματα εμφυτεύοντας σταδιακά στοιχεία από την καλωδιακή τεχνολογία. Ένα 
από τα πιο πρόσφατα παραδείγματα είναι αυτό της BMW με το σύστημα διεύθυνσης της νέας σειράς 5 το οποίο η βαυαρική εταιρία αποκαλεί Active Steering. Η συνολική ιδέα ονομάζεται Active Steering και ουσιαστικά πρόκειται για ένα σύστημα το οποίο εκτός από μεταβαλλόμενη υδραυλική υποβοήθηση διαθέτει και μεταβαλλόμενη σχέση μετάδοσης. Στην κολόνα του τιμονιού έχει τοποθετηθεί ένα πλανητικό σύστημα (συναρμογή γραναζιών) το οποίο έχει δυο εισόδους ισχύος: την δύναμη που ασκεί ο οδηγός και την ροπή του ηλεκτροκινητήρα που μεταβιβάζεται από ένα ελικοειδής μορφής γρανάζι όπως φαίνεται και στο σχήμα. Με αυτό τον τρόπο η τελική σχέση μετάδοσης της κρεμαγέρας διαμορφώνεται ανάλογα με την περιστροφή του άξονα στην έξοδο ισχύος του πλανητικού συστήματος η οποία, προσέξτε, μεταβάλλεται συνεχώς από το ηλεκτρικό μοτέρ. Τι όμως καθορίζουν τις συνθήκες λειτουργίας του όλου συστήματος; Διάφοροι παράμετροι όπως η ταχύτητα και η δυναμική ευστάθεια του αυτοκινήτου οι οποίοι επεξεργάζονται από την ηλεκτρονική μονάδα μετά από έναν σύντομο -κάθε φορά- «καλωδιακό διάλογο». Συγκεκριμένα, οι αισθητήρες του ABS πληροφορούν την ηλεκτρονική μονάδα για την ταχύτητα του αυτοκινήτου ενώ ο αισθητήρας yaw (περιστροφής) για την δυναμική κατάσταση του αυτοκινήτου. Έτσι, ανάλογα με τον τρόπο που κινείται ο οδηγός η ανταπόκριση και η αίσθηση του τιμονιού αυξομειώνεται λόγω της μεταβαλλόμενης σχέσης την οποία ο οδηγός αντιλαμβάνεται άμεσα. Όταν το αυτοκίνητο κινείται με μικρή ταχύτητα ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί με την ίδια φορά που ο οδηγός στρίβει το τιμόνι μειώνοντας την γωνία κατεύθυνσης των τροχών με αποτέλεσμα το τιμόνι να γίνετε πιο «γρήγορο». Αντίθετα, όσο αυξάνει η ταχύτητα του αυτοκινήτου η γωνία των τροχών αυξάνεται και η αίσθηση του τιμονιού βαραίνει.
Δημοσιευμένο στο περιοδικό RAM (Ιούλιος 2004)
