Riadenie vozidla je kľúčové pre bezpečnosť a komfort jazdy. Jeho hlavnou úlohou je umožniť vodičovi ovládať smer jazdy premenou otočného pohybu volantu na natočenie kolies. V súčasnosti sa v automobiloch používajú rôzne typy riadenia, ktoré sa líšia konštrukciou a spôsobom prenosu sily. Tento článok poskytuje komplexný prehľad o princípe fungovania čerpadla servo riadenia, jeho typoch a vývoji.
Úvod do problematiky riadenia vozidla
Úlohou riadenia vo vozidle je regulácia smeru jazdy pomocou premeny otočného pohybu volantu na zmenu uhlov kolies. V princípe existujú dva typy riadenia, čo sa týka sily potrebnej na otočenie volantom - riadenie bez posilňovača a s posilňovačom. Zároveň existuje niekoľko mechanických spôsobov premeny otočného pohybu na lineárny.
Typy riadenia
Riadenie bez posilňovača
Niekdajšie systémy bez guličiek sa používali v starších vozidlách (napr. Škoda 105/120). Typ s guličkami používa dnes napríklad Jeep Wrangler. Jeho výhodou je robustnosť a nízka vôľa, nevýhodou komplikovanosť.
Hrebeňové riadenie (rack and pinion steering)
Dnes najpoužívanejším typom riadenia je tzv. hrebeňové. Tento systém využíva ozubenie na tyči spojenej s volantom (často kolmé). To pri otáčaní posúva ozubený hrebeň doľava alebo doprava a tak priamo mení otočný pohyb na posuvný. Jeho výhodou je veľmi dobrá spätná väzba, nevýhodou nemožnosť nastaviť vôľu.
Riadenie s posilňovačom
Kedysi malo množstvo áut riadenie bez posilňovača. S pribúdajúcim vybavením v motorovom priestore, použitím väčších a ťažších agregátov či iným zvýšením hmotnosti nad prednou nápravou by však bolo bez posilňovača potrebné použiť príliš pomalý prevod (veľa otáčok) a riadenie by bolo ťažké. Preto sa začali používať posilňovače riadenia. Tie využívajú výkon motora aby znížili silu potrebnú na otočenie volantom.
Prečítajte si tiež: BMW E36 316i: Výmena vodného čerpadla
Hydraulický posilňovač (hydraulic power assist, hydraulic steering)
Tento typ bol donedávna najpoužívanejším. Pozostáva z hydraulického čerpadla (najčastejšie poháňaného remenicou z motora), niekoľkých ventilov, riadenia (najčastejšie hrebeňového) s hydraulickým piestom, hadíc a ďalších dielov. Čerpadlo otáčaním vytvára tlak kvapaliny, ktorá cirkuluje cez potrubia. V riadení je integrovaný piest, na ktorého oboch stranách je vytvorený tlak hydraulickej kvapaliny. Pri otočení volantom začne prúdiť kvapalina vďaka ovládaciemu ventilu na hriadeli riadenia na jednu stranu piestu. Tak vám „pomáha" pri točení volantom.
Elektrický / elektromechanický posilňovač (electric power steering)
Hoci hydraulické posilňovače donedávna dominovali, postupne ich nahradzujú elektrické (elektromechanické) systémy. Dôvodom je jednoduchosť, vyššia efektivita (fungujú len keď točíte volantom), nižšia hmotnosť aj absencia kvapaliny. Systém používa na pomoc vodičovi pri točení volantom elektromotor. Aby zistil, akú veľkú silu má vyvinúť, obsahuje snímač krútiaceho momentu. Ten sníma silu, akou točí vodič volantom a na základe pokynov od elektronickej riadiacej jednotky vytvorí potrebnú asistenčnú silu. Motor je s riadením prepojený podobne, ako hrebeňové riadenie. Na základe zmeny odporu pri deformácii snímača krútiaceho momentu (môže byť použitý aj iný typ snímača) zvýši alebo zníži elektronická jednotka silu elektromotora. U elektronického posilňovača je zároveň možné jednoducho regulovať silu v závislosti na rýchlosti vozidla (tzv. variabilný posilňovač riadenia). So zvyšujúcou sa rýchlosťou klesá asistenčná sila a riadenia „tuhne". Cieľom je zbrániť rýchlym pohybom pri vysokých rýchlostiach a jazda po diaľnici je tak menej náročná na koncentráciu. Pri parkovaní naopak vyvíja elektromotor vyššiu asistenčnú silu. Systém zároveň pomáha vrátiť volant do základnej pozície. Vďaka elektrickému princípu fungovania je relatívne ľahké zakomponovať rôzne ďalšie funkcie. Napríklad kompenzáciu bočného vetra, či automatické parkovanie. Riadiaca jednotka totiž dokáže za vás v prípade potreby aj točiť volantom. Existujú aj relatívne jednoduché konverzie áut bez posilňovača na elektrický posilňovač.
Elektro-hydraulické riadenie
Auto s posilňovačom má automaticky horšie čitateľné riadenie, no u elektrických systémov je to väčšinou horšie, ako uhydraulických. Preto fanúšikovia porsche 911 protestovali, keď posledná generácia prešla na elektrický posilňovač. Napríklad niekdajšie vozy Ferrari a Lamborghini spred niekoľkých dekád nemali posilňovač vôbec. Autá bol potom ale problém zaparkovať. Aj preto niektorí výrobcovia používajú / vyvíjajú kombináciu hydraulického a elektrického posilňovača - elektricky poháňanú hydraulickú pumpu.
Riadenie „cez drôt" (drive by wire)
Najnovším, v praxi v osobných autách zatiaľ len výnimočne využívaným typom riadenia je čisto elektronický systém, ktorý je za normálnych okolností bez priameho mechanického prepojenia s kolesami. Tento systém aktuálne testuje napríklad japonská značka Infinity. Výhodou je, že riadenie neprenáša žiadne nechcené vibrácie a možnosti elektronických zásahov v prípade potreby sú jednoducho realizovateľné. Okrem toho môžete volant vo vozidle teoreticky umiestniť na ľubovoľné miesto. Celé riadenie je realizované elektronicky. Snímač určuje polohu volantu a na jej základe otáča elektromotor riadením. Mechanické prepojenie medzi volantom a samotným riadením nastáva len v prípade poruchy systému.
Princíp fungovania hydraulického posilňovača riadenia
Systém riadenia s hydraulickým posilňovačom je vybudovaný pre komfortnejšie a presnejšie riadenia automobilu v rôznych prevádzkových režimoch, ako aj pre zvýšenie bezpečnosti premávky. V posúvačovom zariadení je spojené olejové potrubie prívodu a odtoku. V závislosti od toho, do ktorej strany sa volant otáča, sa olejové hlavné potrubia v posúvačovom zariadení prepájajú zodpovedajúcim spôsobom. Tekutina sa pod tlakom posúva do pracovného valca a pôsobením na pracovný piest vytvorí vedľajšiu silu posunu hriadeľa (princíp hydraulického tlaku). V tomto momente sa dutina opačnej strany piestu spája s nízkotlakovým olejovým potrubím, cez ktoré tekutina steká do olejovej nádrže, pričom nebráni pohybu hriadeľa. Na to, aby bol tento posilňovač účinný, je potrebný hydraulický tlak uzavretého okruhu. Tento tlak vytvára vysokotlakové olejové čerpadlo, ktoré je poháňané zvyčajne remeňom. Čerpadlo je spojené s olejovým zásobníkom - nádržkou. Ďalšou dôležitou súčasťou je regulačný ventil, ktorého hlavnou úlohou je prepúšťať olej na jednu či druhú stranu pracovného valca, čo je podmienené natočením volantu. V prípade priamej jazdy, čiže bez akejkoľvek zmeny smeru, mechanizmus funguje tak, že regulačný ventil sa nachádza v presne stanovenej polohe, ktorá dovoľuje prúdenie kvapaliny z olejového čerpadla cez regulačný ventil späť do čerpadla. Na oboch stranách pracovného valca je totožný tlak a piest sa v pracovnom valci nepohybuje. Keď vodič vozidla natočí volant, otáča sa aj regulačný ventil, a to bez ohľadu na smer otáčania volantu vozidla. Keď prívod oleja z čerpadla posilňovača do ľavého sektora pracovného valca zotrváva otvorený, v tom istom momente je z pravej strany olej odčerpávaný. Na ľavej strane je tlak posilnený, zatiaľ čo na strane pravej tlak klesá. Tento typ posilňovača je typický pre hrebeňové riadenie. Veľmi často bol tento posilňovač uvádzaný do francúzskych áut ako je napr. Peugeot 206, Citroen XM alebo v jednotkovej Octavii. Výhodou systému je, že zlepšuje citlivosť a presnosť riadenia pri vysokých rýchlostiach, ale zároveň môže byť účinok prepojený s otáčkami motora. Princíp činnosti nie je zložitý. Kvapalina v systéme je prepúšťaná na pravú alebo ľavú časť pracovného valca, ktorý je prepojený s hrebeňovou tyčou.
Prečítajte si tiež: Bezpečnosť a obehové čerpadlá
Konštrukcia hydraulického posilňovača
Hydraulický posilňovač pozostáva z hydraulického čerpadla (najčastejšie poháňaného remenicou z motora), niekoľkých ventilov, riadenia (najčastejšie hrebeňového) s hydraulickým piestom, hadíc a ďalších dielov. Čerpadlo otáčaním vytvára tlak kvapaliny, ktorá cirkuluje cez potrubia. V riadení je integrovaný piest, na ktorého oboch stranách je vytvorený tlak hydraulickej kvapaliny. Pri otočení volantom začne prúdiť kvapalina vďaka ovládaciemu ventilu na hriadeli riadenia na jednu stranu piestu. Tak vám „pomáha" pri točení volantom.
Varianty hydraulických posilňovačov
Hydraulické posilňovače tlakujú olej z trochoidného alebo lamelového čerpadla poháňaného trvalo remenicou od motora. Tento systém môžme nájsť napr. vo Forde Mondeo I. generácie alebo Škode Octávii I.
Elektro-hydraulický posilňovač riadenia
Elektro-hydraulický posilňovač riadenia je modernejšia verzia predošlých systémov. Systém je elektronicky riadený, pričom sily hydraulického posilňovača sú ovplyvnené výhradne rýchlosťou jazdy. Nájsť ho môžeme napr. v Škode Fabia 1,2 HTP. Olej sa opäť tlakuje pomocou trochoidného alebo lamelového čerpadla poháňaného elektrickým motorom. Vyznačuje sa menšou energetickou náročnosťou - aktivuje sa len v prípade potreby, čo sa pozitívne prejavuje aj mierne nižšou spotrebou. Vyznačuje sa aj ľahšou a presnejšou degresivitou. Za jeho implementáciu do vozidiel môžu aj stúpajúce požiadavky na pohodlie a bezpečnosť jazdy. Tento posilňovač pracuje s modulovaným tlakom, pracujúcim v závislosti na rýchlosti vozidla. Elektronická riadiaca jednotka na základe signálov zo snímača rýchlosti, ktorý je spoločný aj pre elektronický tachometer, redukuje posilňovací účinok, kedy je redukcia realizovaná prostredníctvom elektro-hydraulického regulátora, umiestneného na riadiacom ventile. Plný posilňovací účinok je k dispozícii u stojaceho vozidla alebo pri parkovaní a umožňuje plné natočenie volantu s minimálnou ovládací silou. So stúpajúcou rýchlosťou vozidla dochádza k čoraz väčšej redukcii posilňovacieho účinku, ale zostáva zachovaná citlivosť a presnosť riadenia aj pri vysokých rýchlostiach.
Elektrický posilňovač riadenia (EPS)
Systém nesie označenie EPS - Electrical Power Streeing (elektromechanický posilňovač riadenia) a vo väčšine prípadov nahrádza elektro-hydraulický posilňovač. Elektromechanický posilňovač s degresívnym účinkom usporí ďalších cca 0,2 litra pohonných hmôt na 100 km. Elektromechanický posilňovač riadenia poskytuje podporu riadenia iba vtedy, keď je skutočne potrebná. Elektromotor je ovládaný podľa určitých charakteristík, ktoré vyhodnocuje a upravuje riadiaca jednotka na základe údajov (hodnôt) získaných zo snímačov. Oproti klasickému hydraulickému posilňovaču, kde beží hydraulické čerpadlo posilňovača neustále a spotrebúva výkon motora, je elektromechanický posilňovač riadenia aktívny len vtedy, keď je posilňovací účinok potrebný, teda keď sa točí volantom. Inak povedané, ak ide vozidlo rovno alebo pri prejazde zákrutou sa drží volant v konštantnej polohe, nie je elektromotor aktívny a nespotrebúva žiadnu energiu. Systém pracuje v závislosti na tom, ako vodič pohybuje volantom a tiež na aktuálnej rýchlosti vozidla. Pri pomalšej jazde alebo pri parkovaní, kedy sa volantom otáča rýchlo a pod veľkým uhlom, pocíti vodič maximálnu podporu. Výsledkom je podstatne vyšší komfort a lepšie manévrovacie schopnosti. Pri rýchlejšej jazde a drobnejších pohyboch volantom sa podpora znižuje.
Problémy a vývoj elektrického posilňovača
Spočiatku nemalo EPS na ružiach ustlané, nakoľko konštrukčnou nedokonalosťou najmä francúzskych a talianskych výrobcov sa vžila myšlienka, že systém elektromechanického posilňovača výrazne obmedzuje spätnú väzbu o dianí kolies na vozovke. Konštruktéri však zapracovali na plné obrátky a výrazne sa im tento nedostatok podarilo eliminovať, čoho dôkazom bolo použitie systému EPS automobilkou BMW do modelu Z4 a neskôr aj do všetkých ostatných modelov s výnimkou vozidiel so systémom xDrive. V porovnaní s hydraulickými systémami je v elektromechanickom podstatne viac elektroniky a v užívateľovi-vodičovi navodzuje myšlienku, že existuje iba jedna cesta komunikácie. Teda volant prenáša sily k predným kolesám pomocou elektromotoru, ale sily na predných kolesách nie sú prenášané spätne po tejto linke naspäť do volantu k vodičovi. Ako bolo uvedené, tento jav sa už podarilo do značnej miery eliminovať, ale stále platí, že najmä v lacnejších modeloch je riadenie s elektromechanickým posilňovačom viac o komforte, ľahkosti, užívateľskej prívetivosti, nižšej spotrebe ako o dokonalej spätnej väzbe kontaktu kolies s vozovkou.
Prečítajte si tiež: Efektívne vykurovanie a ohrev vody
Aktívne riadenie
Tento systém riadenia sa dá vybaviť aj aktívnym riadením napr. AFS od BMW s premenlivým prevodom. Systém kombinuje výhody mechanickej väzby medzi volantom a kolesami a elektronickými systémami drive-by-wire. Jeho úlohou je podľa rýchlosti meniť prevod riadenia a tým počet otáčok volantu medzi krajnými polohami. Zatiaľ čo pri manévrovaní na mieste a jazde strednou rýchlosťou do 120 km/h stačia len dve otáčky volantu na plné vytočenie, pri vysokých rýchlostiach je prevod menej strmý a riadenie nie je tak prehnane citlivé na pohyb volantu. Konštrukčne je riadenie tvorené dvoma vstupnými hriadeľmi a jedným výstupným. Kým jeden vstupný je ovládaný priamo volantom, druhý je poháňaný elektromotorom. Osadený je ozubenými kolesami so samosvorným skrutkovitým ozubením a podľa signálu riadiacej elektroniky a smeru svojho otáčania, celkový prevod zmenšuje, alebo zväčšuje. V prípade náhodného výpadku riadiacej elektroniky, systém ďalej pracuje ako klasické hrebeňové riadenie. Ďalšou výhodou EPS je aj možnosť ľahkej aplikácie parkovacieho asistenta (VW) či samočinného udržiavania vozidla v jazdnom pruhu. Okrem spomínaného AFS od BMW ale aj ďalších výrobcov, dnes niektoré automobilky (Renault) používajú aj systémovo jednoduchšie riešenie a to aktívne natáčanie zadných kolies.
Princíp činnosti elektromechanického posilňovača
Popis činnosti: krútiaci moment riadenia vytvorený vodičom je zaznamenávaný snímačom krútiaceho momentu, ktorý je v podobe signálu prenášaný riadiacej jednotke EPS. Ďalšou informáciou je rýchlosť jazdy, otáčky motora a uhol natočenia volantu. Na základe týchto vstupov EPS prepočíta potrebný krútiaci moment a smer jeho účinku. Elektromechanický posilňovač s degresívnym účinkom ako už bolo spomínané poskytuje podstatne vyšší komfort ovládania vozidla. Umožňuje napr. aktívny návrat volantu do strednej polohy tzv. Active Return. Elektromechanický posilňovač s pomocou riadiacej elektroniky však má aj ďalšie výhody. Pomáha eliminovať pôsobenie bočného vetra a tiež vyrovnávať jednostranný sklon vozovky. Ak riadiaca jednotka EPS dlhšiu dobu zaznamenáva, že sa vodič pokúša vyrovnať určitú situáciu otočením volantu, snaží sa o kompenzáciu danej situácie. Vodič tak nemusí aktívne reagovať otáčaním volantu.
Ďalšie aspekty riadenia
Otáčanie zadnými kolesami
Niektoré autá disponujú aj zatáčaním zadných kolies. Mnoho nových áut má do istej miery pasívne zatáčanie riešené deformovateľnými dielmi zadnej nápravy. Jedným z prvých áut s pasívnym zatáčaním zadných kolies bolo Porsche 928 z roku 1978. Existujú však aj aktívne systémy. Napríklad aktuálna Renualt Laguna GT (systém 4control) využíva aktívne riadenie zadnej nápravy, pomocou elektromotorov a riadiacej jednotky. Zadné kolesá sa do istej rýchlosti otáčajú opačne ako predné (zlepšujú manévrovateľnosť) a nad ňou rovnako (zvyšujú stabilitu).
Prevod riadenia
Je pomer, ktorý vyjadruje uhol otočenia volantu v pomere k otočeniu kolies. Napríklad ak jedna kompletná otáčka volantu predstavuje 360 stupňov a kolesá sa za tento uhol otočia o 24 stupňov, ide o pomer 365:24 = 15:1.
Riadenie s variabilným prevodom
Napríklad u vozidiel BMW sa stretnete s niekoľkými možnosťami voľby riadenia. Servotronic - variabilný posilňovač riadenia, alebo Active Steering riadenie. To druhé má variabilný prevodový pomer - v závislosti na polohe volantu a rýchlosti auta sa aktívne mení rýchlosť otáčania kolesami (prevod riadenia). Parkovanie je tak ľahšie, no pri vyšších rýchlostiach máte stále dostatočnú presnosť.
Ackermannov princíp
Mnohým to nepríde ani na um, ale jazda zákrutou je celkom veda. Okrem vhodne nastaveného podvozku, tuhosti karosérie a pod., odvádza kus práce aj riadenie. Za všetko stačí spomenúť rozdielne vychýlené riadiace kolesá. Keby sa obe riadené kolesá pri jazde zákrutou vychýlili rovnako, nemohlo by sa žiadne z nich odvaľovať po prirodzenej dráhe. Každé koleso by bolo druhým kolesom nútené prejsť do odlišnej jazdnej dráhy, čo by viedlo okrem valivého pohybu aj k ich šmýkaniu. Ak sa majú obe kolesá odvaľovať bez bočného šmýkania presne po svojej zvolenej dráhe, musí sa vnútorné koleso vozidla natočiť viac ako vonkajšie koleso. Tento stav pekne popisuje tzv. Ackermannov princíp. Podľa Ackermannovho princípu sa musia predĺžené priamky vedúce od čapov vychýlených kolies pretnúť s priečnou osou zadnej nápravy.