Περί συστημάτων διεύθυνσης…

2008megane

Χωρίς να κάνει διακρίσεις ο ιός της ηλεκτρονικής προσβάλλει το ένα μετά το άλλο τα μηχανικά μέρη του αυτοκινήτου. Από τους πιο πρόσφατους στόχους του τα συστήματα διεύθυνσης….

Ένα από τα σημαντικότερα μέρη του αυτοκινήτου είναι αναμφισβήτητα και το σύστημα διεύθυνσης. Είναι πάντως αξιοσημείωτο το γεγονός ότι αν και ερχόμαστε καθημερινά (έστω και με έμμεσο τρόπο) σε επαφή μαζί του η απροβλημάτιστη και συνάμα αξιόπιστη λειτουργία του το κάνει να περνά απαρατήρητο από όλους μας. Ωστόσο, η ύπαρξη του εν λόγω συστήματος ταυτίζεται με την γένεση των πρώτων τετράτροχων οχημάτων αφού χωρίς τιμόνι δεν νοείται η αλλαγή κατεύθυνσης ενός οχήματος.

Μηχανολογικό σχέδιο του Carl Benz το οποίο απεικονίζει την γεωμετρία συστήματος διεύθυνσης πριν από περίπου 107 χρόνια. Οι νοητοί άξονες των τροχών δείχνουν ξεκάθαρα το περίφημο τετράπλευρο του Ackerman, μία από τις βασικές αρχές της κινηματικής
Μηχανολογικό σχέδιο του Carl Benz το οποίο απεικονίζει την γεωμετρία συστήματος διεύθυνσης πριν από περίπου 107 χρόνια. Οι νοητοί άξονες των τροχών δείχνουν ξεκάθαρα το περίφημο τετράπλευρο του Ackerman, μία από τις βασικές αρχές της κινηματικής

Ο Karl Benz, από τους δαιμόνιους για την εποχή του μηχανικούς, το 1896 κατασκεύασε το πρωτότοκο τετράτροχο αυτοκίνητο του στο οποίο χάρισε το όνομα της τότε αγαπημένης του Victoria. Ανάμεσα στις «καινοτομίες» του συγκεκριμένου οχήματος συγκαταλέγονταν ο τρόπος με τον οποίο έστριβαν οι τροχοί του αφού πληρούσαν με ακρίβεια την κινηματική συνθήκη του Ackerman η οποία λέει ότι: οι νοητοί άξονες και των τεσσάρων τροχών θα πρέπει να τέμνονται σε κάποιο συγκεκριμένο σημείο. Η εν λόγω γεωμετρική ιδιότητα επιτυγχάνεται καθώς ο εσωτερικός τροχός στρίβει μερικές μοίρες επιπλέον σε σχέση με τον εξωτερικό. Όπως αντιλαμβάνεστε μερικές αρχές παραμένουν αναλλοίωτες στον χρόνο αφού η εν λόγω αρχή του περίφημου τετράπλευρου ακολουθείται πιστά ακόμα και στις μέρες μας.

Από την εποχή της αμιγώς μηχανικής κρεμαγιέρας τα πράγματα έχουν αλλάξει άρδην αφού διάφορες λειτουργίες που κάνουν την ζωή του οδηγού πιο εύκολη εφαρμόζονται ολοένα και περισσότερο. Μεταξύ άλλων αυτό το οποίο κυριολεκτικά «λύνει τα χέρια» του οδηγού αφορά στην υποβοήθηση του τιμονιού. Η έξαρση όμως της ηλεκτρονικής δεν έχει αφήσει προφανώς κανένα σημείο του αυτοκινήτου ανεπηρέαστο αφού σε μερικές δεκαετίες μηχανικά μέρη όπως η κρεμαγιέρα το πιο πιθανό είναι να αποτελεί μουσειακό έκθεμα. Αλλά για να αναφερθούμε μέχρι τα τελευταίας γενιάς ηλεκτρονικά ελεγχόμενα συστήματα, όπως το Active Steering της BMW, θα πρέπει να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο δουλεύει ένα σύστημα διεύθυνσης. Ας πάρουμε λοιπόν τα πράγματα με την σειρά.

Περί δομήσεως…

Τα συστήματα διεύθυνσης που χρησιμοποιούνται στην συντριπτική πλειοψηφία των σημερινών επιβατικών αυτοκινήτων διαθέτουν διάταξη κρεμαγιέρας. Σε μικρότερη συχνότητα συναντάμε συναρμογές με ατέρμονα κοχλία ενώ ο συνδυασμός του τελευταίου μηχανισμού με επανακυκλοφορούντα σφαιρίδια χρησιμοποιείται σπανίως λόγω της πολύπλοκης και κατ΄επέκταση δαπανηρής κατασκευής.

f3_resizeΗ αρχή λειτουργίας της κρεμαγιέρας βασίζεται σε ένα γρανάζι (πινιόν), συνήθως με ελικοειδή οδόντωση, το οποίο κινεί έναν οδοντωτό κανόνα μετατρέποντας την περιστροφική κίνηση σε γραμμική. Όταν ο οδηγός περιστρέφει το τιμόνι δεξιά ή αριστερά ανάλογα κινείται και το πινιόν με πολλαπλάσια ωστόσο ροπή εξαιτίας της σχέσης μετάδοσης. Η γραμμική πλέον κίνηση μετακινεί τον κανόνα δεξιά ή αριστερά αλλάζοντας την κατεύθυνση των τροχών των οποίων οι πλήμνες είναι αρθρωμένες με τα ακρόμπαρα και αυτά με την σειρά τους στα άκρα της κρεμαγιέρας. Στην περίπτωση του ατέρμονα κοχλία έχουμε τον συνδυασμό ενός κοχλία με μια κορόνα.

Το πλεονέκτημα της συγκεκριμένης διάταξης αφορά στην μεταφορά αυξημένου φορτίου και για αυτό το λόγο η εφαρμογή της περιορίζεται πλέον σε μοντέλα εκτός δρόμου. Σε κάθε περίπτωση η ανταπόκριση του τιμονιού καθορίζεται από την σχέση μετάδοσης που έχει επιλέξει ο κατασκευαστής. Για παράδειγμα ένα τιμόνι με λιγότερες στροφές από άκρη σε άκρη μπορεί να υπερτερεί σε σβελτάδα κάνει όμως την ζωή του οδηγού πιο δύσκολη σε διαδικασίες όπως αυτή της στάθμευσης λόγω της επιπλέον δύναμης που πρέπει να καταβάλει. Την λύση σε αυτό το «πρόβλημα» καλούνται να δώσουν τα συστήματα υποβοήθησης.

Υδραυλική υποβοήθηση

Λόγω του αυξημένου φορτίου στον εμπρός άξονα, ειδικά στην περίπτωση οχημάτων βαρέως τύπου, τα πράγμα δεν ήταν καθόλου ευχάριστα για τον οδηγό. Αυτοκινητοβιομηχανίες όπως η Chevrolet επινόησαν περίπου στις αρχές της δεκαετίας του ΄50 υδραυλικά συστήματα τα οποία υποβοηθούσαν το στρίψιμο του τιμονιού. Από τα τέλη της προηγούμενης χιλιετίας μόνο ορισμένες βασικές εκδόσεις αυτοκινήτων πόλης δεν διαθέτουν υδραυλική υποβοήθηση η οποία όμως απειλείται άμεσα από την ηλεκτρική και σε μερικά χρόνια απλά τα υδραυλικά συστήματα θα έχουν καταργηθεί (τουλάχιστον στα επιβατικά οχήματα). Πως όμως λειτουργεί το όλο σύστημα;

f5_resize
Το υδραυλικό σύστημα υποβοήθησης σε μία Mercedes-Benz E-Class του 1999

Με απλά λόγια πρόκειται για ένα υδραυλικό κύκλωμα όπου η πίεση μεταβάλλεται από μια φυγοκεντρική αντλία η οποία λαμβάνει κίνηση μέσο ιμάντα από τον στροφαλοφόρο άξονα. Ανάλογα με την φορά περιστροφής της αυξομειώνεται η υδραυλική πίεση ανάμεσα σε δύο θαλάμους-έμβολα υποβοηθώντας κατά αυτόν τον τρόπο την κίνηση του συστήματος διεύθυνσης. Ορισμένα συστήματα διαθέτουν μεταβλητή υποβοήθηση και συνδυάζονται με μια ηλεκτρονική μονάδα που ελέγχει το βηματικό μοτέρ, ένας μικρός ηλεκτροκινητήρας που ρυθμίζει την βηματική βαλβίδα μέσω ενός σετ γραναζιών μεταβάλλοντας την δίοδο του υγρού. Έτσι, ανάλογα και με την ταχύτητα του αυτοκινήτου και την θέση της κολόνας επαναπροσδιορίζει την αίσθηση που αποκομίζει ο οδηγός από το τιμόνι.

Στα ηλεκτρούδραυλικά συστήματα η διαφορά εντοπίζεται πως η κίνηση δεν προέρχεται από τον ΜΕΚ μέσω ιμάντα αλλα πραγματοποιείται από έναν ηλεκτροκινητήρα.
Στα ηλεκτρούδραυλικά συστήματα η διαφορά εντοπίζεται πως η κίνηση δεν προέρχεται από τον ΜΕΚ μέσω ιμάντα αλλα πραγματοποιείται από μία ανεξάρτητα ηλεκτρική αντλία (6). Εδώ σύστημα της ZF.

Τα τελευταία υδραυλικά συστήματα συνδυάζονται με αισθητήρα που αντιλαμβάνεται την μεταβολή της γωνιακής ταχύτητας της κολόνας του τιμονιού. Γενικά η μέγιστη τιμή της υποβοήθησης, η οποία θεωρητικά φτάνει τα 120bar, στην πράξη δεν ξεπερνά τα 80bar, και την μέγιστη τιμή την συναντάμε στην διαδικασία επιτόπιων ελιγμών. Στην περίπτωση αυτή το έργο που καταναλώνει η αντλία από τον κινητήρα γίνεται αντιληπτό αν παρατηρήσετε το σκαμπανέβασμα του δείκτη του στροφόμετρου. Η αύξηση όμως της πίεσης στο κύκλωμα έχει ως συνέπεια η αίσθηση του τιμονιού να ελαφρύνει υπερβολικά. Έτσι λοιπόν όσο το αυτοκίνητο αυξάνει ταχύτητα η μονάδα ελέγχου η οποία λαμβάνει πληροφορίες και από τους αισθητήρες του ABS δίνει εντολή σε μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα να μειώσει την πίεση ώστε να βαρύνει η αίσθηση του βολάν. Αξίζει να σημειωθεί ότι όταν οι τροχοί βρίσκονται σε ευθεία στο υδραυλικό κύκλωμα επικρατεί ισορροπία, δηλαδή μηδενικές -πάντα θεωρητικά- πιέσεις.

Στα ηλεκτροϋδραυλικά συστήματα υπάρχουν γραναζωτές αντλίες που λαμβάνουν κίνηση από έναν ηλεκτροκινητήρα. Με αυτό τον τρόπο η κίνηση της αντλίας δεν εξαρτάται από τις στροφές του κινητήρα και είναι ανεξάρτητη ενώ η υποβοήθηση διατηρείται ακόμη και αν ο κινητήρας απενεργοποιηθεί. Επίσης, η ύπαρξη του ηλεκτροκινητήρα επιτρέπει την παραμετροποίηση της υποβοήθησης και σε ορισμένα μοντέλα συναντάμε συγκεκριμένες επιλογές (π.χ. Ford Focus, C-MAX κ.α.)

Ηλεκτρική υποβοήθηση

Σίγουρα θα καταλάβατε ότι η ειδοποιός διαφορά ανάμεσα στα υδραυλικά συστήματα εντοπίζεται στο… μέσο υποβοήθησης καθώς η αντλία αντικαθίσταται από έναν μικρό σε μέγεθος ηλεκτροκινητήρα. Με ηλεκτρική υποβοήθηση εξοπλίζονται -πρωτεργάτες στο είδος- μοντέλα όπως τα Fiat Punto και Renault Megane ενώ η συνεχής υιοθέτηση τους από τους κατασκευαστές αναμένεται στο μέλλον να εκτοπίσουν τα υδραυλικά συστήματα.

db2003au01943_medium_resize-copy
Εδώ το ηλεκτρομηχανικό σύστημα από VW Golf με τον ηλεκτροκινητήρα να βρίσκεται παράλληλα με την κρεμαγερα.

Τα συστήματα EPS (Electrically Power Steering) δομούνται από έναν ηλεκτρο- κινητήρα ο οποίος συνδυάζεται με ένα μικροσκοπικό μειωτήρα. Η συνολική διάταξη συνήθως βρίσκεται τοποθετημένη στην κολόνα του τιμονιού αν και είθισται πλέον η παράλληλη με την κρεμαγιέρα τοποθέτηση της λόγω της καλύτερης αμεσότητας. Πριν από τον ηλεκτροκινητήρα όμως έχει τοποθετηθεί ένας  αισθητήρας ροπής ο οποίος επικοινωνεί συνεχώς με την ηλεκτρονική μονάδα του EPS προκειμένου να την τροφοδοτήσει με πληροφορίες σχετικά με το μέγεθος της ροπής που υφίσταται η κολόνα. Ο συγκεκριμένος σένσορας σε συνδυασμό με αυτόν που «διαβάζει» την περιστροφή του τιμονιού μεταβιβάζει την ροπή που ασκεί ο οδηγός προς τον επεξεργαστή της μονάδας ο οποίος συνήθως «τρέχει» στα 16-bit με μνήμη 64Kb. Βάση του αλγοριθμικού προγράμματος της τελευταίας συνυπολογίζεται και η ταχύτητα με την οποία κινείται το αυτοκίνητο. Με αυτό τον τρόπο η λειτουργία του ηλεκτρικού μοτέρ διαχειρίζεται ανάλογα μεταβάλλοντας παράλληλα το μέγεθος της υποβοήθησης.

vw scirocco
To σύστημα διεύθυνσης του VW Scirocco (ηλεκτρομηχανική υποβοήθηση)

Για ποιο λόγο όμως έχει επικρατήσει η ηλεκτρική υποβοήθηση; Αφενός για την απλούστερη και κατά συνέπεια φτηνότερη κατασκευή του συστήματος, το μειωμένο βάρος ενώ η απουσία υδραυλικών υγρών δεν επιβαρύνει το περιβάλλον. Αφετέρου, τα παρελκυόμενα του συστήματος καταλαμβάνουν 20-30% λιγότερο χώρο ενώ η κατανάλωση μειώνεται έως και μισό λίτρο ανά 100 χλμ., περισσότερο από 4% σε σχέση με ένα μοντέλο που διαθέτει υδραυλική υποβοήθηση. Το τελευταίο πλεονέκτημα των EPS δικαιολογείται άμεσα αν αναλογισθεί κανείς ότι στα υδραυλικά συστήματα η αντλία είναι μόνιμα συνδεδεμένη με τον κινητήρα απορροφώντας έως και 12 φορές περισσότερο έργο. Ο ηλεκτροκινητήρας ενεργοποιείται μόνο όταν το απαιτήσουν οι συνθήκες.

Steer-by-wire

citroen c-crosserΣτο πλαίσιο της τεχνολογίας drive-by-wire συγκαταλέγεται μεταξύ άλλων το καλωδιακό σύστημα διεύθυνσης στο οποίο καταργείται οποιοδήποτε μηχανικό μέρος ή σύνδεση ανάμεσα στα χειριστήρια και τους τροχούς. Τιμονιέρες όπως σε video games ή χειριστήρια τύπου joystick θα μεταβιβάζουν μέσο καλωδίων την πρόθεση του οδηγού όπου μια μονάδα θα εκτιμά την κατάσταση και ανάλογα θα ενεργοποιεί ηλεκτροκινητήρες που θα κατευθύνουν τους τροχούς. Μέχρι όμως να εφαρμοσθεί η ρηξικέλευθη τεχνολογία και να καταργηθεί εντελώς η παραδοσιακή κρεμαγιέρα θα περάσουν αρκετά χρόνια ίσως και δεκαετίες. Αν αυτό σας φαίνεται υπερβολή ας υποθέσουμε ότι μια ηλεκτρικά υποβοηθούμενη κρεμαγιέρα παρουσιάζει ξαφνικά δυσλειτουργία. Μικρό το κακό αφού μπορείς να συνεχίσεις να έχεις τον έλεγχο του αυτοκινήτου έστω και χωρίς υποβοήθηση. Αν τώρα παρουσιασθεί παρόμοια βλάβη σε κάποιο από τα προχωρημένα συστήματα steer-by-wire με ποιο τρόπο θα στρίψει το αυτοκίνητο; Για λόγους ασφαλείας το πιο πιθανό σενάριο είναι τα καλωδιακά αυτά συστήματα σε περίπτωση που «ξεμείνουν» να διαθέτουν ως «ρεζέρβα» μια υποτυπώδη συναρμογή κρεμαγιέρας.

f17_resize1Μέχρι λοιπόν να εξακριβωθεί η αξιοπιστία τέτοιων συστημάτων, η BMW πρωτοτύπησε συνδυά- ζοντας ψήγματα από καλωδιακή τεχνολογία στο σύστημα διεύθυνσης της νέας σειράς 5. 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 παρεμβάλλεται ένα πλανητικό σύστημα το οποίο ουσιαστικά διαθέτει δυο εισόδους ισχύος, την δύναμη που ασκεί ο οδηγός και την ροπή του ηλεκτροκινητήρα η οποία μεταβιβάζεται από ένα ελικοειδής μορφής γρανάζι ομοαξονικά τοποθετημένο με τον ρότορα. Με αυτό τον τρόπο η τελική σχέση μετάδοσης της κρεμαγιέρας διαμορφώνεται ανάλογα με την περιστροφή του άξονα στην έξοδο ισχύος του πλανητικού συστήματος η οποία, προσέξτε, μεταβάλλεται συνεχώς από το ηλεκτρικό μοτέρ.

f16_resize1Τι όμως καθορίζουν τις συνθήκες λειτουργίας του όλου συστή- ματος; Διάφοροι παράμετροι όπως η ταχύτητα και η δυναμική ευστάθεια του αυτοκινήτου μιας και το όλο σύστημα συνεργάζεται στενά με το DSC. 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 μπορεί να αντιληφθεί από το «κόψιμο» του τιμονιού. 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». Ειδικά σε συνθήκες όπως αυτή της στάθμευσης ο κύκλος στροφής του τιμονιού μειώνεται έως και δύο στροφές από άκρη σε άκρη σε αντίθεση με το τιμόνι της συμβατικής σειράς 5  που διαθέτει ομοίως τρεις στροφές. Αντίθετα, όσο αυξάνει η ταχύτητα του αυτοκινήτου η γωνία των τροχών αυξάνεται και η αίσθηση του τιμονιού βαραίνει.

Ετικέτες

Nίκος Ι. Mαρινόπουλος

Πρόκειται για τον δημιουργό και συντονιστή του καρότου με τις περισσότερες τεχνολογικές βιταμίνες σε όλον τον κόσμο!

Ένα σχόλιο

  1. einai alh8eia oti h BMW exei kalutero »timoni» apo thn MERCEDES-BENZ h auto
    einai kati gia to opoio 8elei h BMW na uperisxuei ths MERCEDES?(apanthste mou sto e-mail mou parakalw)
    k poio einai to kalutero susthma tetrakinhshs shmera?

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Back to top button
Close
Close