Обзор электронной системы усилителя рулевого управления

Электронный усилитель рулевого управления (EPS) в настоящее время является стандартным оборудованием практически на всех новых моделях продаваемых автомобилей. Одна из причин очевидна: она устраняет паразитное сопротивление постоянно вращающегося гидравлического насоса с ременным приводом, используемого для подачи гидравлического усилия для перемещения рулевого механизма.

Общие сведения

В современных версиях системы EPS используется электродвигатель, который задействует систему помощи рулевому управлению только тогда, когда рулевое колесо не находится в центрированном положении. Этот тип EPS экономит топливо и снижает выбросы, если автомобиль оснащен двигателем внутреннего сгорания (уменьшая нагрузку на генератор переменного тока), и уменьшает количество потребляемой электроэнергии, если автомобиль гибридный или полностью электрический. Существуют и другие преимущества EPS, которые часто упускаются из виду.

Это примеры двух распространенных конструкций рулевых реек с электрическим усилителем: двойная шестерня слева и ременная передача справа.

• Система EPS снижает шум двигателя, усилителя рулевого управления и вибрации, которые обычная гидравлическая система усилителя рулевого управления передавала бы в пассажирский салон. EPS также изолирует компоненты рулевого управления от вибрации подвески, сохраняя при этом хорошее ощущение дороги водителем. А также обеспечивает рулевое управление в зависимости от скорости и повышенную безопасность. Например, Honda объединила систему стабилизации автомобиля с системой EPS, увеличив сопротивление повороту рулевого колеса, если водитель реагирует на ситуацию заноса поворотом рулевого колеса в неправильном направлении.
• Система EPS используется в рулевом управлении автомобилей уже некоторое время, но текущие версии намного превосходят своих предшественников. Они обладают исключительным ощущением дороги и временем отклика, но это еще не все, на что способны эти системы. Текущая версия EPS, подключенная к огромному количеству других систем автомобиля, может определять, когда водитель не держит руль, и поддерживать движение автомобиля в нужном направлении, обеспечивая автономное или полуавтономное вождение, автоматическую параллельную / перпендикулярную парковку, систему помощи при удержании полосы движения, автоматическую смену полосы движения или вывод автомобиля с места парковки.

И эти функции – лишь верхушка того, что может выполнять полностью интегрированная система EPS в сочетании с другими системами автомобиля, камерами и датчиками.

Расчет необходимой мощности рулевого управления

Система EPS работает путем расчета необходимой мощности рулевого управления на основе нескольких факторов и входных данных датчиков. Но наиболее важными входными датчиками EPS являются датчик крутящего момента рулевого управления и датчик угла поворота рулевого колеса. Они имеют решающее значение для надлежащей функциональности системы EPS. Используются другие значения датчиков, такие как рыскание, скорость автомобиля, акселерометры, скорость вращения двигателя EPS, температура двигателя EPS и информация от других систем автомобиля, но крутящий момент и угол поворота являются наиболее важными.

Это пример датчика положения угла поворота рулевого колеса. (предоставлено в стандартной комплектации)

Датчик крутящего момента рулевого управления измеряет и в электронном виде сообщает величину крутящего момента, который рулевое колесо (через водителя) прикладывает к рулевому валу. Эта информация о “крутящем моменте при повороте” рассчитывается датчиком крутящего момента, который измеряет небольшую величину крутящего момента в специально разработанном торсионном стержне. Этот торсионный стержень находится на корпусе рулевого механизма рядом с входным валом или может быть встроен в рулевую колонку.

Узел датчика крутящего момента будет измерять крутящий момент при повороте с помощью датчика Холла, магниторезистивного датчика положения рулевого колеса или другого электронного устройства. Датчик крутящего момента измерит и сообщит о величине закручивания торсионной планки рулевого вала. Модуль управления EPS получит эту информацию о закручивании / крутящем моменте в виде аналогового или цифрового сигнала и интерпретирует ее как значение крутящего момента при повороте.

Внимание!: при демонтаже роторов и замене передних компонентов важно помнить, что двигатель EPS может быть прикреплен непосредственно к рулевой рейке, и сильные удары молотка по удалению застрявшего ротора, ступицы или конца рулевой тяги могут повредить рулевую рейку, двигатель EPS или другие электронные компоненты.

Калибровка электрорейки

Система EPS должна знать положение рулевого колеса и скорость, с которой водитель поворачивает рулевое колесо, с информацией, предоставляемой датчиком угла поворота рулевого колеса. Датчик угла поворота рулевого колеса может быть встроен в узел датчика крутящего момента (последняя модель GM), быть рассчитанным значением с использованием датчика положения двигателя EPS (автомобили Ford), встроенным в часовую пружину (автомобили Dodge / Ram) или автономным датчиком, установленным на рулевом валу (более старые модели GM).

Датчики угла поворота рулевого колеса бывают различных конструкций, которые могут включать в себя индуктивные датчики или датчики Холла. В некоторых автомобилях используется датчик угла поворота рулевого колеса, использующий технологию GMR (гигантское магнитосопротивление), которая выдает выходное значение датчика угла поворота на 360 градусов. Датчик GMR может выдавать полные значения угла поворота рулевого колеса при нескольких поворотах. Выходной сигнал GMR определяется ориентацией магнитных полей в узле датчика угла поворота рулевого управления GMR.

На этом скриншоте показано, что калибровку датчика положения рулевого колеса можно выполнить с помощью сканера.

Угол поворота и частота вращения рулевого колеса являются важными входными данными не только для системы EPS, но и для системы стабилизации автомобиля, поэтому информация с этого датчика часто передается по коммуникационной сети автомобиля. Значение угла поворота рулевого колеса отображается на наших сканирующих приборах обычно в градусах, а центровка или обнуление угла поворота рулевого колеса является обычной услугой, которую необходимо выполнить после выравнивания и других ремонтных работ.

Большинство автомобилей оснащается двумя датчиками крутящего момента и двумя датчиками угла поворота руля для резервирования и безопасности. Использование резервных датчиков ограничит количество ситуаций, при которых может произойти полная потеря усилителя рулевого управления. При неисправности датчика крутящего момента или угла поворота рулевого колеса система EPS загорается служебная лампочка EPS, уведомляющая водителя о проблеме, но усилитель рулевого управления может оставаться исправным или частично исправным до начала ремонта.

Система управления и двигатель EPS

Модуль управления EPS использует информацию, поступающую к нему от датчиков угла поворота и крутящего момента, а также из сетей связи автомобиля, для расчета необходимой операции рулевого управления. Как только модуль управления EPS обработает эти данные, он отреагирует, регулируя ток, подаваемый на электродвигатель EPS, перемещая рулевое управление в нужное положение.

В большинстве систем EPS для перемещения рулевого механизма используется 12-вольтовый реверсивный трехфазный бесщеточный электродвигатель постоянного тока. EPS двигатель будет иметь рабочее напряжение от 9 до 16В. Этот тип двигателя EPS используется потому, что он обеспечивает необходимый крутящий момент рулевого управления быстрее и точнее, когда двигатель EPS вращается на более низких оборотах. Двигатель EPS управляется с помощью сигнала постоянного напряжения с широтно-импульсной модуляцией.

Пример стойки Honda Insight/Fit EPS. Электродвигатель подключен к выходному валу рулевой колонки.

В некоторых гибридных грузовиках и внедорожниках Nissan Altima hybrid и GM hybrid используется DC-DC преобразователь для понижения напряжения высоковольтной батареи для подачи напряжения 42В. в системы EPS. Двигатель EPS обеспечивает обратную связь с модулем EPS о местоположении вала, частоте вращения двигателя, температуре двигателя и его исправном состоянии.

• Расположение двигателя EPS часто зависит от размера автомобиля, комплектации и конструкции системы рулевого управления. В большинстве крупных автомобилей (пикапов и внедорожников) двигатель EPS расположен непосредственно на рулевой рейке, а для работы используется конструкция с двойной шестерней или ременной передачей. Для экономии места на многих небольших автомобилях двигатель EPS может быть установлен на рулевой колонке внутри автомобиля.
• Модуль управления EPS может определять и компенсировать тягу на рулевом колесе, заедание рулевого колеса, пробуксовку на дороге или сильный боковой ветер, уменьшая воздействие на рулевое колесо, тем самым снижая утомляемость водителя. Она может уменьшить неровности рулевого управления, поглотить вибрации на неровной дороге и помочь в центровке рулевого колеса после поворота. Она также может обеспечивать управление с учетом скорости, уменьшая нагрузку на рулевое управление на скоростях шоссе и увеличивая ее при более медленных маневрах на парковке.
• Модуль управления EPS может быть оснащен программным обеспечением, которое учитывает нормальный износ рулевого механизма и двигателя EPS; этот износ компенсируется добавлением дополнительного крутящего момента для сохранения первоначальных ощущений при управлении. Система Chevrolet Blazer 2022 года выпуска может даже регулировать максимальный ход рулевого механизма и уменьшать радиус поворота автомобиля на парковке с помощью модуля управления EPS, называемого Dynamic Rack Travel.

На этом снимке Lexus NX 300 2019 года показано взаимодействие системы EPS. Сработала подушка безопасности и повредила датчик угла поворота рулевого колеса, расположенный в блоке часовой пружины. Обратите внимание, что это влияет на режим удержания полосы движения и адаптивные огни, и для правильной работы требуется значение угла поворота.

Для надлежащего управления рулевым управлением модуль управления EPS всегда должен знать состояние двигателя EPS и его местоположение в соответствии с его центрированным положением (колеса прямые). Модуль управления EPS будет постоянно проверять систему усилителя рулевого управления на наличие неисправностей, и если он их обнаружит, то предупредит водителя сигнальной лампочкой или сообщением на приборной панели и установит диагностические коды неисправностей.

Тип обнаруженной неисправности может ограничить количество доступных усилителей рулевого управления или, в худшем случае, полностью отключить усилитель рулевого управления. Если двигатель EPS начнет перегреваться из-за чрезмерно высокого потребления тока, т.е. при удерживании рулевого колеса заблокированным в течение чрезмерно длительного времени, вмешается модуль управления EPS.

Модуль EPS уменьшит величину тока, протекающего к двигателю EPS, и временно отключит усилитель рулевого управления, предотвращая повреждение задействованных компонентов, пока температура двигателя EPS не снизится. Модуль управления EPS предоставит диагностические сервисные данные об угле поворота рулевого колеса, показаниях датчика крутящего момента, потребляемом токе двигателя EPS, температуре двигателя EPS и многих других данных, которые могут помочь специалисту в диагностике неисправности EPS или жалобы.

EPS: предупреждения и примечания

Центровка / обнуление угла поворота рулевого колеса – одна из наиболее распространенных процедур обслуживания EPS, которую необходимо выполнить, и для этого можно использовать различные методы. Центровку или обнуление датчика угла поворота рулевого колеса необходимо выполнять после выравнивания, замены компонентов рулевого управления, обновления модуля EPS, ремонта рулевой колонки и после разрядки или замены аккумулятора.

Многие системы EPS самокалибруются, обычно путем запуска двигателя и поворота рулевого колеса до упора, а затем короткого дорожного теста для подачи сигнала на датчик скорости автомобиля. Обычно при этом контрольные лампы EPS выключаются и система перезагружается.

Для сброса значения центрального угла поворота руля на некоторых автомобилях может потребоваться сканер, но это может быть не единственной настройкой, которую потребуется сбросить, если значение угла поворота руля будет очищено и сброшено. Многим автомобилям Toyota требуется калибровка датчиков рыскания и ускорения по нулевой точке после выравнивания. Использование современной информационной системы будет лучшим источником при выполнении сброса датчика угла поворота рулевого колеса.

Что дальше?

Электрификация автомобильного парка происходит уже сейчас, поэтому использование системы электронного усилителя рулевого управления станет нормой. Новый GMC Hummer EV оснащен двумя блоками рулевого управления EPS: одним спереди и одним сзади, что обеспечивает возможность поворота на четыре колеса и “крабовой походки”.

Когда система EPS интегрирована с бортовыми камерами автомобиля и другими системами датчиков автомобиля, такие функции автомобиля, как выезд с полосы движения, коррекция полосы движения и системы самостоятельной парковки, входят в стандартную комплектацию. Но интеграция системы EPS на этом не остановится. Интерес потребителей и производителей к полуавтономному или полностью автономному вождению только сделает систему EPS необходимостью в ближайшем будущем.