V souˇcasn´e dobˇe se u osobn´ıch automobil˚u vyuˇz´ıv´a zejm´ena dvou technologi´ı.
Jedna je zaloˇzena na posilov´an´ı pomoc´ı elektromotoru a druh´a vyuˇz´ıv´a hydraulick´eho tlaku. U nˇekter´ych syst´em˚u se vyuˇz´ıv´a kombinace obou tˇechto princip˚u (tzv. elek-trohydraulick´e syst´emy). Obˇe tyto technologie pracuj´ı v kombinaci s mechanick´ym propojen´ım volantu a pˇredn´ı n´apravy a pouze sniˇzuj´ı s´ılu, kterou mus´ı ˇridiˇc vynaloˇzit pˇri ˇr´ızen´ı vozidla. Vozidlo tak z˚ust´av´a nad´ale ovladateln´e i v pˇr´ıpadˇe selh´an´ı posilovaˇce.
Pˇrestoˇze se u nov´ych aut pouˇz´ıvaj´ı pˇrev´aˇznˇe elektrick´e posilovaˇce, st´ale se na silnic´ıch setk´av´ame i s posilovaˇci hydraulick´ymi. V roce 2011 bylo podle pr˚uzkumu magaz´ınu Car and Driver v´ıce neˇz 30 procent novˇe vyroben´ych automobil˚u v r´amci Evropy, Japonska, Koreji a Severn´ı Ameriky vybaveno hydraulick´ym syst´emem. [7]
2.2.1 Hydraulick´y posilovaˇc ˇr´ızen´ı
Funkce hydraulick´eho posilovaˇce (zkr´acenˇe HPS) je zaloˇzena na vyrovn´av´an´ı rozd´ıl˚u tlak˚u. Cel´y syst´em je vˇetˇsinou mechanick´y a skl´ad´a se z vysokotlak´eho ˇ
cerpadla s pˇretlakov´ym ventilem poh´anˇen´eho motorem, rezervo´aru s hydraulickou kapalinou, rotaˇcn´ıho ventilu, kter´y smˇeruje tlak v z´avislosti na smˇeru natoˇcen´ı kol a natoˇcen´ı volantu, a pracovn´ıho p´ıstu, kter´y je spojen s koly. Blokov´e sch´ema je zobrazeno na obr´azku ˇc. 4.
Obr´azek 4: Sch´ema hydraulick´eho posilovaˇce
Na obr´azku ˇc. 5 vlevo je zobrazen rotaˇcn´ı ventil v neutr´aln´ı poloze, coˇz zna-men´a, ˇze volant i kola jsou natoˇceny stejn´ym smˇerem. Hydraulick´a kapalina tak m˚uˇze volnˇe obt´ekat vnitˇrn´ı ventil, obˇe strany pra-covn´ıho p´ıstu jsou spojeny a tud´ıˇz je v nich stejn´y tlak. V takov´em pˇr´ıpadˇe se pracovn´ı v´alec nepohybuje a kola setrv´avaj´ı v p˚uvodn´ı poloze.
Pˇri zatoˇcen´ı volantem vpravo, jak je zobrazeno na obr´azku ˇc. 5 vpravo, se natoˇc´ı i vnitˇrn´ı ˇc´ast rotaˇcn´ıho ventilu. Kapa-lina proud´ıc´ı z ˇcerpadla pod vysok´ym tlakem
proud´ı na pravou stranu pracovn´ıho p´ıstu, kde zv´yˇsen´y tlak p˚usob´ı na p´ıst a pohybuje s n´ım smˇerem vlevo. Lev´a strana p´ıstu je ve stejn´y okamˇzik spojena s rezervo´arem, takˇze m˚uˇze kapalina z lev´e ˇc´asti volnˇe odch´azet. Jak se nat´aˇcej´ı kola, tak se pomoc´ı pˇrevodky ˇr´ızen´ı pohyb kol pˇren´aˇs´ı na vnˇejˇs´ı ˇc´ast rotaˇcn´ıho ventilu, kter´y se nat´aˇc´ı zpˇet do neutr´aln´ı polohy vzhledem k jeho vnitˇrn´ı ˇc´asti. Syst´em, kter´y je zde pops´an je znaˇcnˇe zjednoduˇsen´y, ale princip z˚ust´av´a stejn´y.
Obr´azek 5: Rotaˇcn´ı ventil hydraulick´eho posilovaˇce. Vlevo zobrazen v neutr´aln´ı poloze, vpravo pˇri zatoˇcen´ı doprava
Nev´yhodou hydraulick´eho syst´emu ve srovn´an´ı s elektrick´ym posilovaˇcem je zv´yˇsen´a spotˇreba paliva a ub´ır´an´ı v´ykonu motoru. Jelikoˇz je nutn´e, aby posilovaˇc fungoval i pˇri n´ızk´ych ot´aˇck´ach motoru (napˇr. pˇri volnobˇeˇzn´ych ot´aˇck´ach zat´ımco au-tomobil stoj´ı), mus´ı pˇri tˇechto ot´aˇck´ach ˇcerpadlo dod´avat dostateˇcn´y tlak potˇrebn´y pro funkci syst´emu. Pˇri zv´yˇsen´ı ot´aˇcek se zvyˇsuje i v´ykon ˇcerpadla, kter´y vˇsak pˇri pˇr´ım´e j´ızdˇe nen´ı zapotˇreb´ı a pˇrich´az´ı nazmar.
Zv´yˇsen´ı spotˇreby pˇri pouˇzit´ı hydraulick´eho syst´emu zkracuje dojezd pˇribliˇznˇe o 425 metr˚u na kaˇzd´y litr paliva. [7] Zejm´ena proto se v dneˇsn´ı dobˇe u novˇe vyroben´ych automobil˚u pouˇz´ıvaj´ı pˇredevˇs´ım elektrick´e posilovaˇce.
2.2.2 Elektrick´y posilovaˇc ˇr´ızen´ı
Elektrick´y posilovaˇc ˇr´ızen´ı, neboli EPS, vyuˇz´ıv´a k asistenci pˇri ˇr´ızen´ı elektromo-toru ovl´adan´eho elektronickou ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou, neboli ECU. Ta urˇcuje proud proud´ıc´ı do elektromotoru, ˇc´ımˇz ovl´ad´a s´ılu, kterou p˚usob´ı na ˇr´ızen´ı. ECU pro sv´e v´ypoˇcty vyuˇz´ıv´a vstupn´ıch dat ze senzoru ´uhlu natoˇcen´ı volantu, senzoru toˇciv´eho momentu pro zjiˇstˇen´ı s´ıly s jakou je volantem ot´aˇceno a aktu´aln´ı rychlosti vozidla. M˚uˇze b´yt
pˇripojena tak´e na spoleˇcnou sbˇernici s dalˇs´ımi elektronick´ymi syst´emy, jako napˇr´ıklad s ABS, ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou motoru apod. a pracovat i s daty z tˇechto syst´em˚u za ´uˇcelem dosaˇzen´ı co nejvyˇsˇs´ı bezpeˇcnosti.
Na z´akladˇe um´ıstˇen´ı syst´emu v ˇr´ıd´ıc´ım mechanismu rozliˇsujeme 4 druhy elek-trick´ych posilovaˇc˚u: [8]
• C-EPS (
”Column assist“) – motor posilovaˇce, senzory i ˇr´ıd´ıc´ı jednotka jsou spojeny v jeden celek pˇr´ımo na sloupku ˇr´ızen´ı. Volant je nasazen pˇr´ımo na vstupn´ı hˇr´ıdel posilovaˇce.
• P-EPS (
”Pinion assist“) – kompletn´ı posilovaˇc je pˇripojen k pˇrevodce ˇr´ızen´ı.
Tento typ se vyuˇz´ıv´a pˇredevˇs´ım u mal´ych osobn´ıch automobil˚u, jelikoˇz se posi-lovaˇc pˇresunuje z prostoru pro pos´adku do motorov´eho prostoru.
• R-EPS (
”Rack assist“) – posilovaˇc je zabudov´an pˇr´ımo do hˇrebenov´e tyˇce ˇr´ızen´ı. Pouˇz´ıv´a se u stˇrednˇe velk´ych a velk´ych vozidel.
• D-EPS (
”Direct drive“) – pˇrevodka ˇr´ızen´ı a syst´em posilovaˇce jsou spojeny do jednoho celku. R-EPS a D-EPS b´yvaj´ı oznaˇcov´any tak´e jako
”dvouhˇrebenov´e“.
Tyto syst´emy maj´ı d´ıky vyuˇzit´ı dvou pˇrevod˚u (jednoho pro volant a druh´eho pro posilovaˇc) lepˇs´ı zpˇetnou vazbu od kol k volantu (citlivost ˇr´ızen´ı). [9]
Elektrick´y posilovaˇc ˇr´ızen´ı se na rozd´ıl od HPS st´av´a aktivn´ım aˇz v momentˇe, kdy ˇridiˇc zaˇcne p˚usobit na volant silou z d˚uvodu zatoˇcen´ı. Pro pˇrevod s´ıly a smˇeru natoˇcen´ı volantu se pouˇz´ıvaj´ı senzory zkrutu a natoˇcen´ı. V souˇcasn´e dobˇe se pouˇz´ıv´a nˇekolik typ˚u senzor˚u, kter´e se liˇs´ı pouˇzitou technologi´ı:
Optick´y (Absolutn´ı) sn´ımaˇc polohy – Pouˇz´ıv´a se pro sn´ım´an´ı ´uhlu natoˇcen´ı volantu.
Vyuˇz´ıv´a LED diody a optick´eho senzoru, jak je zobrazeno na obr´azku ˇc. 6.
Mezi optick´y senzor a svˇetelnou diodu je um´ıstˇen perforovan´y krouˇzek, kter´y se nat´aˇc´ı spoleˇcnˇe s volantem. Tento krouˇzek obsahuje v´yˇrezy skrze kter´e m˚uˇze proni-kat z´aˇren´ı z LED diody. V pˇr´ıpadˇe, ˇze svˇetlo dopad´a na senzor, generuje se napˇet´ı a na v´ystupu senzoru je sign´al logick´a 1. V pˇr´ıpadˇe, ˇze krouˇzek st´ın´ı svˇetlo emitovan´e diodou, senzor ˇz´adn´e napˇet´ı negeneruje a na v´ystupu je logick´a 0. Pˇri pohybu krouˇzku tedy vznik´a diskr´etn´ı sign´al, z kter´eho lze odvodit ´uhel natoˇcen´ı volantu.
Obr´azek 6: Princip sn´ımaˇce natoˇcen´ı volantu
Zdroj: Electro-mechanical Power Stee-ring [10]
V praxi se vyuˇz´ıv´a nˇekolika senzor˚u pracuj´ıc´ıch z´aroveˇn a k´odov´eho kotouˇce, kter´y pro kaˇzd´y senzor obsahuje jinak per-forovanou oblast. Pomoc´ı toho se generuje bin´arn´ı ˇci gray˚uv k´od, kter´y nese infor-maci o ´uhlu natoˇcen´ı. Kaˇzd´y ze senzor˚u tak pˇredstavuje jeden bit z v´ystupn´ıho slova.
Pˇrestoˇze princip, na kter´em tento typ senzoru pracuje je pomˇernˇe jednoduch´y, v´yroba tˇechto senzor˚u je velmi n´akladn´a.
Mus´ı b´yt zajiˇstˇena absolutn´ı ˇcistota pra-coviˇstˇe, nebot’ sebemenˇs´ı sm´ıtko uvnitˇr
sen-zoru m˚uˇze zp˚usobit zast´ınˇen´ı ok´enka k´odov´eho kotouˇce, coˇz by vedlo k vygenerov´an´ı chybn´eho ´udaje o ´uhlu natoˇcen´ı.
Hall˚uv sn´ımaˇc polohy
Princip sn´ımaˇce je zaloˇzen´y na hallovˇe jevu. Pouˇz´ıv´a se zejm´ena pro sn´ım´an´ı zkrutu. Cel´y sn´ımaˇc se skl´ad´a ze dvou ˇc´ast´ı: [10]
• vrchn´ı ˇc´ast je spojena s hˇr´ıdel´ı volantu a je k n´ı pˇripevnˇen magnetick´y rotor, sloˇzen´y z nˇekolika magnetick´ych ˇc´ast´ı se stˇr´ıdaj´ıc´ı se polaritou. Poˇcet oblast´ı urˇcuje pˇresnost senzoru.
• spodn´ı ˇc´ast je spojena s hˇrebenovou tyˇc´ı ˇr´ızen´ı a je k n´ı pˇripevnˇen senzor magne-tick´eho pole, neboli hallova sonda. Senzor b´yv´a zdvojen´y pro zv´yˇsen´ı bezpeˇcnosti v pˇr´ıpadˇe jeho selh´an´ı.
Obˇe tyto ˇc´asti jsou dohromady spojeny torzn´ı tyˇcinkou, umoˇzˇnuj´ıc´ı jejich vz´ajemn´e natoˇcen´ı. Pˇri tom doch´az´ı ke zmˇenˇe magnetick´eho pole na hallovˇe sondˇe, kter´a generuje napˇet´ı, z nˇehoˇz je vypoˇctena s´ıla vyvinut´a ˇridiˇcem.
Tyto sn´ımaˇce jsou velmi odoln´e, a proto se pouˇz´ıvaj´ı v tˇeˇzk´ych pro-vozn´ıch podm´ınk´ach. Nevad´ı jim kontaminace prachem ˇci jin´ymi nemagnetick´ymi ˇ
c´asticemi. [11]
Odporov´y sn´ımaˇc polohy
Odporov´y sn´ımaˇc urˇcuje ´uhel natoˇcen´ı v z´avislosti na elektrick´em odporu. Je realizov´an jako potenciometr s kruhovou dr´ahou. Mˇeˇrenou veliˇcinou je obvykle napˇet´ı na v´ystupn´ıch svork´ach. Jako odporov´y materi´al se pouˇz´ıv´a odporov´y dr´at navinut´y na nevodiv´em j´adˇre ˇci vodiv´y plast.
Nev´yhodou tˇechto senzor˚u je omezen´a ˇzivotnost zp˚usoben´a mechanick´ym kon-taktem mezi odporovou dr´ahou a jezdcem. Dalˇs´ı nev´yhodou je z´avislost na teplotˇe, jelikoˇz odpor dr´ahy s nar˚ustaj´ıc´ı teplotou stoup´a. [11]
Indukˇcn´ı sn´ımaˇc polohy
Indukˇcn´ı sn´ımaˇce pracuj´ı na principu zmˇeny kmit´an´ı LC oscil´atoru. Vysoko-frekvenˇcn´ı LC oscil´ator vyzaˇruje elektromagnetick´e pole. Pˇri pˇribl´ıˇzen´ı vodiv´eho ma-teri´alu k c´ıvce oscil´atoru jsou v nˇem generov´any v´ıˇriv´e proudy a kmin´an´ı oscil´atoru je utlumeno. V´ystup obvodu je pˇriveden do kompar´atoru, kter´y prahovou hodnotu napˇet´ı sign´alu porovn´av´a se vstupn´ım napˇet´ım. Na z´akladˇe tohoto porovn´an´ı je generov´an diskr´etn´ı sign´al signalizuj´ıc´ı pˇr´ıtomnost vodiv´eho materi´alu.
Pro popis celkov´e funkce syst´emu byl pouˇzit syst´em typu D-EPS pouˇz´ıvan´y au-tomobilkou Volkswagen. [10] Princip je ale u vˇsech typ˚u a u vˇetˇsiny v´yrobc˚u obdobn´y.
V popisovan´em syst´emu se vyuˇz´ıv´a optick´eho sn´ımaˇce pro sn´ım´an´ı ´uhlu natoˇcen´ı volantu. Tento sn´ımaˇc je um´ıstˇen pˇr´ımo ve volantu a skl´ad´a se ze dvou ocelov´ych krouˇzk˚u, absolutn´ıho a inkrementaˇcn´ıho, kter´e jsou sn´ım´any ˇsesti optick´ymi senzory.
Ty dohromady vytv´aˇrej´ı k´od natoˇcen´ı volantu. Tento syst´em dovoluje sn´ımat natoˇcen´ı v ´uhlu 1440◦.
Pro sn´ım´an´ı s´ıly zkrutu je zde pouˇzit hall˚uv sn´ımaˇc polohy. Jeho magnetick´y ro-tor je rozdˇelen na 24 oblast´ı. V pˇr´ıpadˇe, ˇze dojde k detekci chyby senzoru, mus´ı b´yt po-silovaˇc odpojen. Pˇri n´ahl´em selh´an´ı senzoru a odpojen´ı posilovaˇce by vˇsak mohlo doj´ıt k potenci´alnˇe nebezpeˇcn´ym situac´ım. Proto je cel´y syst´em odpojen plynule sniˇzovan´ım posilovac´ıho ´uˇcinku. Pˇri tomto odpojov´an´ı je moment s´ıly poˇc´ıt´an ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou z ´uhlu natoˇcen´ı volantu a natoˇcen´ı rotoru posilovaˇce.
Oba z´ıskan´e sign´aly, spoleˇcnˇe s dalˇs´ımi sign´aly, jako napˇr´ıklad rychlost´ı vozi-dla, jsou pˇreneseny do elektronick´e ˇr´ıd´ıc´ı jednotky. Zde je na z´akladˇe mapy uloˇzen´e
Obr´azek 7: Pˇr´ıklad mapy uloˇzen´e v ˇr´ıc´ıc´ı jednotce. ˇCerven´e kˇrivky jsou pro pr´azdn´e vozidlo, zat´ımco modr´e pro plnˇe naloˇzen´e
Zdroj: Electro-mechanical Power Steering [10]
v pamˇeti, zjiˇstˇeno potˇrebn´e mnoˇzstv´ı s´ıly pˇredstavovan´e hodnotou elektrick´eho proudu pro buzen´ı elektromotoru. Pˇr´ıklad takov´e mapy je zobrazen na obr´azku ˇc. 7.
V dneˇsn´ı dobˇe se pouˇz´ıv´a pˇrev´aˇznˇe asynchronn´ı tˇr´ıf´azov´y motor, vzhledem k jeho jednoduch´e a robustn´ı konstrukci, vysok´e ´uˇcinosti a relativnˇe kr´atk´e reakˇcn´ı dobˇe.
Dalˇs´ı v´yhodou tohoto typu motoru je, ˇze pˇri odpojen´ı nap´ajen´ı ˇci pˇri zkratu s n´ım lze snadno ot´aˇcet, takˇze i pˇri selh´an´ı a odpojen´ı motoru lze vozidlo d´ale ovl´adat.
V´yhod u elektrick´eho posilovaˇce ˇr´ızen´ı, ve srovn´an´ı s hydraulick´ym posilovaˇcem, najdeme hned nˇekolik. Elektrick´y posilovaˇc ˇr´ızen´ı je napˇr´ıklad v´ıce ekologick´y. Krom
´
uspory paliva totiˇz nepotˇrebuje ani ˇz´adn´e provozn´ı kapaliny, na rozd´ıl od sv´eho hydraulick´eho pˇredch˚udce, mezi jehoˇz nejˇcastˇejˇs´ı poruchy patˇrila netˇesnost syst´emu a ´unik hydraulick´e kapaliny. Doch´az´ı tak´e k ´uspoˇre m´ısta. Elektronick´y syst´em je totiˇz ve srovn´an´ı s cel´ym hydraulick´ym syst´emem v´yraznˇe menˇs´ı. V´yznamnou v´yhodou je i moˇznost snadno omezovat ˇci pˇrid´avat mnoˇzstv´ı s´ıly poskytovan´e posilovaˇcem v z´avislosti na aktu´aln´ı rychlosti vozidla. Moˇznost nastaven´ı potˇrebn´eho posilovac´ıho
´
uˇcinku pˇrech´az´ı dokonce k samotn´emu ˇridiˇci, a to napˇr´ıklad v podobˇe jednoduch´eho
tlaˇc´ıtka s popiskem
”city“ (neboli mˇestsk´y reˇzim), kdy je posilovac´ı ´uˇcinek nav´yˇsen do takov´e m´ıry, aby ˇridiˇci staˇcilo jen nepatrn´e mnoˇzstv´ı s´ıly, a on se tak mohl vˇenovat plnˇe situaci kolem vozidla (napˇr. pˇri parkov´an´ı).
Je tak´e snaha o vytvoˇren´ı plnˇe elektrick´eho syst´emu bez jak´ehokoliv mecha-nick´eho propojen´ı volantu s pˇredn´ı n´apravou, coˇz by znamenalo ´usporu prostoru, sn´ıˇzen´ı v´ahy vozu a zv´yˇsen´ı komfortu ˇr´ızen´ı zamezen´ım pˇren´aˇsen´ı vibrac´ı od kol zpˇet k ˇridiˇci. Tento princip je oznaˇcov´an jako
”steer-by-wire“. Podobn´y syst´em nazvan´y
” fly-by-wire“ se jiˇz od sedmdes´at´ych let uplatˇnuje v leteck´em pr˚umyslu, kdy se prvn´ım letounem vyuˇz´ıvaj´ıc´ım tento syst´em stal bojov´y letoun F-16. [12]
Syst´emy typu
”steer-by-wire“ se pouˇz´ıvaj´ı jiˇz dnes u z´avodn´ıch voz˚u Formule 1.
Nasazen´ı syst´emu masovˇe v s´eriov´ych modelech vˇsak nese jist´a ´uskal´ı. Z´avodn´ı t´ymy vynakl´adaj´ı velk´e mnoˇzstv´ı financ´ı jak na v´yrobu samotn´eho syst´emu, tak i na jeho
´
udrˇzbu. Jsou vyr´abˇeny v mal´ych s´eri´ıch v ˇr´adu jednotek aˇz des´ıtek kus˚u za pouˇzit´ı velmi kvalitn´ıch d´ıl˚u a n´aslednˇe jsou d˚ukladnˇe testov´any. I po namontov´an´ı do vozu jsou neust´ale kontrolov´any a diagnostikov´any, aby se pˇredeˇslo selh´an´ı. A v pˇr´ıpadˇe, ˇze by pˇres veˇskerou snahu k selh´an´ı syst´emu doˇslo, vozidla jsou vyuˇz´ıv´ana pouze na trati v kontrolovan´ych podm´ınk´ach s mnoˇzstv´ım bezpeˇcnostn´ıch z´on, ˇc´ımˇz se sniˇzuje riziko ohroˇzen´ı ˇzivota jezdce.
Tohoto stupnˇe zabezpeˇcen´ı vˇsak u s´eriovˇe vyr´abˇen´ych automobil˚u nelze dos´ahnout. Kvalita pouˇzit´ych d´ıl˚u je omezena v´yrobn´ı cenou, kterou se v´yrobci snaˇz´ı srazit na minimum, a z d˚uvodu v´yroby desetitis´ıc˚u kus˚u nen´ı moˇzn´e kaˇzd´y z d´ıl˚u d˚uslednˇe kontrolovat. I pˇresto se v´yrobci d´ale vˇenuj´ı v´yvoji a testov´an´ı tohoto syst´emu.
Prvn´ım s´eriovˇe vyr´abˇen´ym automobilem pouˇz´ıvaj´ıc´ım syst´em SBW (
”steer-by-wire“) je v˚uz Infinity Q50, kter´y se zaˇcne prod´avat v druh´e polovinˇe roku 2013. Tento model bude m´ıt plnˇe elektrick´e ˇr´ızen´ı. V r´amci zabezpeˇcen´ı vˇsak obsahuje i standardn´ı slou-pek ˇr´ızen´ı, kter´y je vˇsak po vˇetˇsinu ˇcasu odpojen pomoc´ı spojky. V pˇr´ıpadˇe selh´an´ı elektroniky spojka ihned sepne, ˇc´ımˇz propoj´ı volant s pˇredn´ımi koly, takˇze vozidlo bude nad´ale ovladateln´e. Spojka je tak´e sepnuta vˇzdy po vypnut´ı motoru. [13]