Сервотроник – ваш электронный рулевой

Принцип действия

Устройство сервотроник необходимо для обеспечения безопасного рулевого управления. Оно способно уберечь автомобиль от резких заносов на малой скорости и медленной реакции системы управления при быстром движении.

На сегодняшнее время производством сервотроников занимается компания ZF Lenksysteme, которая поставляет изделия более чем для 13 популярных автоконцернов. В общем количестве за 25 лет было создано и успешно внедрено 11 миллионов приборов.

Работа рулевой рейки

В первую очередь усиление рулевого управление рассчитывалось на габаритный транспорт, которому было тяжело проделывать манёвры на большой скорости. Система управления также проявляла большой недостаток при быстром движении — повороты руля создавали достаточно резкие движения, поэтому даже плавное управление могло произвести сильный занос.

Сервотроник решал эту проблему. Он позволял даже большому транспорту иметь точное и плавное управление. Правда, зачастую проблема с манёвренностью на быстром движении сохранялась — снижалось усиление и увеличивалась жёсткость руля.

Сегодня для предотвращения подобных ситуаций используют электрогидравлический преобразователь, клапаны отсечного и обратного действия, специальные поршни. На деле бортовой компьютер направлял сигналы в управляющий механизм, затрагивая элементы сервотроника, за счёт чего происходила корректировка скорости и качества движения. Отличную работу показывает сервотроник Ауди, который считается одним из лучших.

Вариации электронного управления

За время своего существования система сервотроник получала много модернизаций. В ней был заменён роторный поршень на клапан с затворкой, что в 1998 году дало начало запуску производства Servotronic 2. Само пропорциональное регулирование руля зависит от скорости движения автомобиля. Вскоре компания ZF внедрила в эту систему электрический усилитель, который бы контролировал прилагаемое усилие.

Поскольку раньше роль усилителя выполнял гидравлический элемент, он не всегда мог иметь нормальную работу. Электронный же вариант приводился в действие, когда рулевое усиление действительно требовалось. Такой сервотроник BMW уже использует не один год. Благодаря ему автомобили этого бренда способны показать отличные возможности манёвренности не только на высокой скорости, но и при экстремальных погодных условиях.

Принцип действия гидравлического и электрического управления очень похожий. При повороте руля закручивается торсион, который подаёт сигналы бортовому компьютеру. После этого команда передаётся электромотору, от которого производится подкручивание рулевого вала, что и уменьшает усилие. Датчик сервотроника является решающим звеном, ведь именно он отвечает за подачу гидравлической жидкости через клапаны, что и создаёт регулирование движения.

Устройство ЭУР

Устройство ЭУР Конструктивно ЭУР состоит из следующих элементов:

• электродвигатель (электромотор);
• механическая передача (редуктор);
• система управления.

Электрический двигатель

Именно электромотор, который, как правило, представлен асинхронным электродвигателем, приводит в движение электроусилитель руля. При этом существует несколько схем установки электродвигателя:

1. Электрический двигатель передает усилие на вал рулевого колеса.
2. Электрический мотор передает усилие на рулевую рейку.

В первом варианте конструкции электроусилитель встроен в рулевую колонку, и электрический двигатель осуществляет передачу крутящего момента на вал рулевого колеса посредством механической передачи.

Варианты установки электродвигателя

Наиболее востребованным считается второй вариант, который называют электромеханическим усилителем рулевого управления (ЭМУР). Варианты его конструкции могут быть представлены в виде усилителя руля с двумя шестернями или усилителя руля с параллельным приводом.

В ЭУР с двумя шестернями передача крутящего момента осуществляется от рулевого колеса на рейку рулевого механизма одной шестерней; на другую шестерню момент передается при помощи электрического мотора.

В ЭУР с параллельным приводом электромотор передает усилие на рейку рулевого механизма за счет ременной передачи или передачи винт-шариковая гайка.

Система управления

Устройство рулевого управления с ЭУР Система управления ЭУР состоит из:

• входных датчиков;
• электронного блока управления;
• исполнительного устройства.

Входные датчики:

• датчик угла поворота рулевого колеса;
• датчик крутящего момента на рулевом колесе.

Помимо этих элементов система управления ЭУР использует информацию, поступающую от блока управления ABS (колесные датчики скорости) и от блока управления двигателем (датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя).

ЭБУ обрабатывает сигналы датчиков, на основании которых дает команду начать работу исполнительному устройству, в роли которого как раз является электрический двигатель усилителя.

Откуда появилась?

Появилась данная функция относительно недавно. Принадлежит идея создания системы сервотроника БМВ. Что это за элемент, рассмотрим далее. В 85-м году на выставке «МоторШоу» в Амстердаме была представлена БМВ М5 в 34-м кузове.

Машина отличалась не только мощным двигателем, но и отменной управляемостью. В частности, многие журналисты отмечали отзывчивость руля. На месте его можно было прокрутить одним пальцем. Однако на скорости он становится неимоверно твердым. Это обеспечивало машине отличную устойчивость на высоких скоростях. Это был первый гидроусилитель с такой функцией. Назвали данную систему сервотроником.

Как выбрать сервопривод

Сервоприводы выбирают по техническим характеристикам, экономического и технического эффекта. Выбор делают после тщательного анализа технологических требований, расчетов эффективности и надежности.

Один из главных параметров устройств – точность позиционирования. Она не должна превышать предельную погрешность положения исполнительных механизмов или перемещения рабочего инструмента. Точность определяется количеством импульсов с датчиков на 1 оборот вала. Чем их больше, тем точнее обеспечивается положение вала.

При выборе необходимо обратить внимание на диапазон регулирования скорости и момента на валу. Параметры подбирают по требованиям оборудования

Например, сервопривод автоматизированных станков должен обеспечивать требуемую скорость обработки для того или иного материала. Момент вала на валу выбирают по характеру и величине нагрузки. Для исключения перегрузок лучше прибрести сервопривод привод с небольшим запасом мощности двигателя.

Кроме точности позиционирования, диапазона изменения момента и скорости, также учитывают:

• Тип поддерживаемых интерфейсов обмена данными. Протоколы должны соответствовать информационным интерфейсам автоматизированной системы. Сервоприводы поддерживают самые распространенные протоколы обмена информацией. В модульных устройствах можно устанавливать дополнительные блоки связи.
• Скорость отклика. Один из самых главных параметров , характеризующих время между выработкой сигнала управления и его полной отработкой. Скорость отклика также должна отвечать требованиям оборудования или механизма.
• Исполнение. Класс защиты от влаги пыли, тип охлаждения выбирают исходя из предполагаемых условий эксплуатации.
• Электрические параметры. Номинальное напряжение, потребляемый ток, выбирают по возможностям и виду электросети.
• Дополнительным функциям. Современные сервоприводы выполняют функции отключения при авариях, предупреждений при ненормальных режимов работы, ведения журнала и многие другие.

От привода зависит работоспособность технологических установок, оборудования, станков. Производители промышленной приводной техники оказывают услуги выбора сервоприводов с учетом всех требований. Рекомендуется воспользоваться этим предложением.

Современные сервоприводы обеспечивают управление по законам любой сложности с точностью перемещения до сотых долей микрон. Оснащение устройствами промышленного оборудования дает очень весомый экономический эффект. Сервоприводы также позволяют существенно расширить возможности и увеличить точность станков, дозаторов, манипуляторов, а также автоматизировать работу устройств.

5. Система изменения усилия на рулевом колесе Servotronic

Примечание — На автомобилях с системой Servotronic усилие на рулевом колесе регулируется электроникой в зависимости от скорости движения. — В случае выхода из строя электроники рулевое управление работает как обычный рулевой механизм с гидроусилителем.

Наличие неисправности выражается в:

• Необходимости прикладывать к вращению рулевого колеса большие усилия, чем обычно.
• Рулевое управление становится необычно легким на высоких скоростях движения.

Если рулевое управление затрудняется на одну сторону (например, руль легко вращается вправо, но тяжело влево), это указывает на наличие неисправности в гидравлической системе усилителя рулевого управления. В этом случае необходимо заменить рулевой редуктор.

1. Блок управления Servotronic -J236- (на автомобилях выпуска до 1993 модельного года располагается за перчаточным ящиком со стороны пассажира; на автомобилях выпуска с 1993 модельного года – корпус реле 1 в накопительной камере, позиция 16).
2. Держатель (не применяется с 1994 модельного года).
3. Самонарезной винт (не применяется с 1994 модельного года).
4. U-образная гайка (не применяется с 1994 модельного года).
5. Разъем блока управления Servotronic (не применяется с 1994 модельного года).
6. Блок разъемов «1» (расположение на моделях до 1993 модельного года: со стороны водителя за вставкой приборной панели; на моделях с 1994 модельного года не используется).
7. Разъем электромагнитного клапана Servotronic -N119- (в автомобилях до 1993 модельного года подсоединяется к жгуту проводов приборной панели в точке разъема «1»; в автомобилях с 1994 модельного года подсоединяется к корпусу реле 1 в накопительной камере).
8. Сетчатый фильтр.
9. Уплотнение (заменять новым после каждого снятия).
10. Уплотнение (заменять новым после каждого снятия).
11. Электромагнитный клапан Servotronic -N119- (для очистки или замены снять вакуумный усилитель тормозов; на автомобилях с гидравлическим усилителем тормозов снятие усилителя не требуется).
12. Болт (момент затяжки: 3 Н·м).
13. Рулевой редуктор.

Примечание Точка разъема «1» в автомобилях до 1993 модельного года со стороны водителя за приборной панелью: 9 – оранжевый разъем Servotronic и датчика наружной температуры.

Проверка подачи питания на Servotronic

1. Отсоединить разъем от блока управления Servotronic -J236-.

2. Включить зажигание.

3. Установить портативный мультиметр на диапазон измерения 20 В.

4. Измерить напряжение на разъеме реле между необходимыми выводами:

Автомобили до 1993 модельного года: выводы 2 и 7.

Разъем Servotronic в автомобилях до 1993 модельного года

Автомобили с 1994 модельного года: выводы 6 и 8.

Характеристики сервопривода

Крутящий момент

Крутящий момент представляет собой произведение силы на длину рычага. Другими словами, он показывает, насколько тяжёлый груз сервопривод способен удержать в покое на рычаге заданной длины.

Например, если крутящий момент равен 5 кг·см, это означает, что сервопривод удержит в горизонтальном положении рычаг длиной 1 см с подвешенным грузом 5 кг на свободном конце. Или, что равносильно, удержать рычаг длиной 5 см с подвешенным грузом 1 кг.

Скорость поворота

Скорость сервопривода выражается через время, за которое выходной вал успеет повернуться на 60°. Характеристика 0,1 с/60° означает, что сервопривод поворачивается на 60° за 0,1 с. Из неё можно вычислить скорость в оборотах в минуту, но так сложилось, что для сервоприводов чаще всего используют именно интервал времени поворота на 60°.

Форм-фактор

Сервоприводы различаются по размерам. И хотя официальной классификации не существует, производители давно придерживаются нескольких размеров с общепринятым расположением крепёжных элементов.

Форм-фактор	Вес	Размеры
Микро	9–25 г	22×15×25 мм
Стандартный	40–80 г	40×20×37 мм
Большой	50–90 г	49×25×40 мм

Внутренний интерфейс

Сервоприводы бывают аналоговые и цифровые. Внешне они ничем не отличаются: электромоторы, редукторы, потенциометры у них одинаковые. Главное отличие между аналоговыми и цифровыми сервоприводами состоит в способе обработки управляющего сигнала и сигнала обратной связи. В остальном их устройство и принципы работы совпадают.

В аналоговом сервоприводе входные данные анализируются логической микросхемой: сравнивается текущее и необходимое положения двигателя, и на основании разницы даётся команда изменить положение. Время реакции составляет порядка 20 мс, поскольку импульс подаётся с частотой 50 Гц. Полученный сигнал определяет, когда и в какую сторону вращать двигатель.

В цифровом сервоприводе входные данные анализируются микроконтроллером. Данное техническое решение позволяет увеличить частоту сигналов до 200 Гц и выше. Каждый импульс короче по длине, но благодаря большому количеству сигналов, двигатель становится более шустрым: быстрее реагирует на внешние воздействия и развивает необходимый крутящий момент, а мёртвые зоны становятся намного короче.

Цифровые сервоприводы решают проблемы, связанные с низкой частотой сигналов, но вместе с тем становятся сложнее в производстве, а потому и дороже. Кроме того, они потребляют чуть больше энергии, чем аналоговые.

Система активного рулевого управления AFS

Она являет собой аналог сервотроника. Что это за система? Это узел, работающий от планетарного редуктора. Последний оснащается электромотором. Обычно ставится на автомобили с ЭУРом. Так, редуктор с двигателем устанавливается на рулевой вал. Система имеет свой блок управления, который, как и сервотроник, получает сигналы от различных датчиков. На их основании электроника принимает меры по корректировке передаточного числа между поворотом руля и колес машины. С ростом скорости это число увеличивается. Руль становится более жестким. Система в автоматическом режиме выбирает нужное передаточное число и может менять его каждую секунду.

Смотреть галерею Таким образом, принципиальное отличие между AFS и сервотроником заключается в способе регулирования усилий. В первом случае учувствует редуктор с электромотором, во втором – электромагнитный клапан, управляющий потоками и давлением гидравлической жидкости. AFS имеет множество преимуществ. Так, система способна не только сделать управление более жестким, но и предотвратить аварийную ситуацию. В случае заноса автомобиля электроника оценивает ситуацию благодаря датчикам и автоматически поворачивает колеса на определенный угол.

Что такое Сервотроник? Устройство и принцип работы

В автошколе нас учат прежде всего умению обращаться с рулем — от этого будет зависеть безопасность движения и курсовая устойчивость автомобиля. Благодаря такому устройству, как гидроусилитель, вращать руль значительно проще.

Однако, возникают и определенные проблемы, например на малой скорости руль провернуть сложнее, чем на большой, а по идее должно было бы быть наоборот. Согласитесь, что когда вы двигаетесь по городу на небольшой скорости, то руль приходится проворачивать чаще: при парковке, при проезде кольцевых перекрестков, при разворотах и так далее. При этом мы прикладываем определенные усилия.

На прямой трассе картина совсем другая — водитель движется на скоростях 90 км/час и выше, но ГУР работает таким образом, что на такой скорости нужно прикладывать меньше усилий для поворота руля. Одно неверное движение, и автомобиль выезжает на встречную, идет в занос.

На высоких скоростях контролировать ситуацию гораздо сложнее. (Данная проблема решается отключением гидроусилителя на больших скоростях или переходом на другой режим).

Чтобы усилия на разных скоростях распределялись правильно, было создано такое устройство, как Сервотроник, он же Servotronic.

Что оно нам дает?

При движении по городу с Сервотроником нам нужно прикладывать меньше усилий, особенно при параллельной парковке или при въезде задним ходом в бокс, когда руль буквально приходится выворачивать из крайнего левого положения, в крайнее правое. Когда же мы мчимся по трассе, то коэффициент усиления уменьшается, то есть приходится прилагать больше усилий для поворота руля, благодаря чему обеспечивается курсовая устойчивость и плавность хода.

Устройство и принцип работы Сервотроника

Прежде, чем мы схематически опишем устройство системы Сервотроник, нужно сказать, что она применяется на автомобилях концернов Volkswagen, BMW, Volvo, Porsche. ногие другие производители устанавливают электрогидравлические усилители с режимами «Город» и «Трасса», на трассе коэффициент усиления рулевого управления уменьшается, а в городе наоборот возрастает.

Сервотроник — это сложная система, которая состоит из нескольких ключевых элементов. Очень важную роль играет датчик усилителя руля или датчик угла поворота руля, а также датчик спидометра, который анализирует текущую скорость движения. Кроме того на блок управления сервотроником поступает информация от ЭБУ о скорости вращения и положении коленчатого вала.

Все эти датчики собирают информацию и передают ее на блок управления, а тот ее обрабатывает и подает команды либо на перепускной электромагнитный клапан (если стоит ГУР), либо на двигатель электронасоса (электрогидроусилитель). Соответственно, на малых скоростях клапан пропускает больше жидкости гидравлической в силовой цилиндр и усиление рулевого управления увеличивается — усилие передается от тяги и колеса поворачиваются. Если же стоит ЭГУР, то двигатель насоса начинает вращаться быстрее, увеличивая приток жидкости в бачок.

На высоких скоростях происходит прямо противоположное — клапан получает сигнал от блока управления Сервотроником уменьшить приток жидкости, усиление руля уменьшается и водителю приходится прикладывать больше усилий.

Чтобы до конца разобраться в принципе работы Сервотроника, нужно знать, как работают различные системы усиления рулевого управления: гидравлическая, электрогидравлическая или электрическая.

Сервотроник же только немного корректирует их работу, подстраивая коэффициент усиления рулевого управления под конкретные режимы езды. Главными исполнительными элементами в разных системах являются электромеханический клапан или двигатель электронасоса. Ведутся разработки и более совершенных систем, которые со временем значительно упростят и сделают процесс вождения более безопасным.

(2 оценок, среднее: 5,00 из 5)

В 1985 году концерн BMW представил систему Servotronic предназначенную для регулировки рулевого управления в зависимости от скорости. Данная система позволяет уменьшить усилия, необходимые для поворота рулевого колеса в зависимости от скорости движения или дорожных условий. Ввиду конструктивных особенностей Servotronic может быть установлен только на автомобили с гидравлическим или электрическим усилением руля. Наличие такой системы положительно сказывается на комфорте и точности управления транспортным средством.

Как работает

Рейка рулевая с сервотроником почти не отличается от обычной. Исключение составляют всевозможные датчики и блок управления. Условно сервотроник можно разделить на две части – информирующую и исполнительную. Для считывания данных, в системе предусмотрены входные датчики:

• Усилителя руля.
• Угла поворота рулевого колеса (для автомобилей с системой ESP).

С их помощью система определяет положение руля относительно угла поворота передних колёс. Также в системе имеется датчик Холла. Он информирует о положении коленвала в двигателе. А датчик спидометра передает данные о текущей скорости машины.

Таким образом, в блок управления поступает сразу несколько сигналов. Затем система обрабатывает эту информацию и задает определенный алгоритм работы исполнительным устройствам. К таковым относится камера обратного действия с золотником и поршнем. Чтобы регулировать давление гидравлической жидкости, в системе имеется электромагнитный клапан сервотроника. Что это за элемент? Он взаимодействует с блоком сервотроника. При повороте руля, через золотник пропускается жидкость на цилиндр гидроусилителя. Последний начинает воздействовать на механизм поворота колеса. В это же время поступает сигнал на электромагнитный клапан. Он открывается и жидкость заполняет собой камеру обратного действия. Таким образом, давление в цилиндре падает. Поршень обратного действия блокирует золотник. Усиление на руль возрастает.

С падением скорости автомобиля, клапан закрывается. При парковке, он закрыт вовсе, что дает возможность легко вращать руль на месте. Как только скорость движения превышает 20 километров в час, клапан постепенно открывается. Водителю требуется прилагать больше усилий для поворота, чем обычно.

То есть, работа сервотроника основана на дросселировании гидравлической жидкости в системе ГУРа путем открытия, либо закрытия электромагнитного клапана. При этом в блок регулярно поступают сигналы и текущей скорости транспортного средства и положении самого рулевого колеса. Блок управления сервотроником обычно располагается у перчаточного ящика.

Системные функции

Сервотроник определяет большую часть момента на рулевом колесе, который должен создать водитель. Функция сервотроник определяется в значительной степени через скорость движения и угол поворота колеса:

• Низкий диапазон скоростей (город, парковка) = низкий момент на рулевом колесе
• Высокий диапазон скоростей (загородная дорога, автомагистраль) = высокий момент на рулевом колесе

Клапан сервотроника активизируетсятолько при включенном контакте 15 и включенном двигателе. Контур регулировки сервотроника регулирует ток подключенного клапана сервотроника. Более высокий ток означает большую степень усиления рулевого привода при одинаковом моменте на рулевом колесе. Заданный ток определяется на основании поля характеристик, с параметрами «скорость движения » и «угол поворота колеса». Поле характеристик сохранено в кодировочных данных и располагает 10 опорными точками для скорости движения и 6 опорными точками для угла поворота колеса. Промежуточные значения заданного тока определяются с помощью линейной интерполяции соседних опорных точек. Значение из графической характеристики ограничивается функцией в пределах от 0 до 860 миллиампер.

Сервотроник определяет каждые 100 миллисекунд желаемое усиление рулевого привода в зависимости от следующих факторов:

• Текущая скорость движения
• Актуальное значение угла поворота колеса

Соответствующее значение в поле характеристик активизируетсяв зависимости от конкретной ситуации. Если актуальное значение скорости движения или угла поворота колесе находится вне определенного диапазона, используются максимальные или минимальные заданные значения.

Далее возможен, в зависимости от варианта шасси, переход к одному из 2 полей характеристик. Сервотроник оценивает сообщение по шине CAN, чтобы перейти к обычному полю характеристик или к спортивному полю характеристик. Сигнал сравнивается с закодированным значением спортивного режима. В случае одинаковых значений выполняется переход к спортивному полю характеристик. При отсутствии сообщения или недействительном значении будет активно поле, выбранное последним. После сброса сервотроник использует состояние «комфорт» и, таким образом, обычное поле характеристик. Однако состояние не сохраняется в ЭБУ сервотроника.

На следующем рисунке в качестве примера представлено поле характеристик на основе скорости движения с углом поворота колеса 0 градусов у E70 с Dynamic Drive и электронной системой регулировки жесткости амортизаторов.

Обозначение	Пояснение	Обозначение	Пояснение
1	Активизация	2	Графическая характеристика «Комфорт»
3	Графическая характеристика «Спорт»	4	скорость движения

Описываются следующие системные функции сервотроника:

• Усиление рулевого привода при низких скоростях движения
• Усиление рулевого привода при высоких скоростях движения
• Усиление рулевого привода при обесточенном клапане сервотроника