Hidraulikus szervokormányok (HPS = Hidraulic Power Steering)Power Steering)

A kormánykeréken kifejtett nyomatékkal arányosan, hidraulikus berendezés segítségével növeli a kormányzott kerekeket elfordító erőt. A kezdeti időben elsősorban a haszonjárműveknél alkalmazták, de nem sokkal később a személygépkocsikba is hidraulikus működésű szervokormányokat szereltek. Ezzel hatékonyan növekedett a vezetési komfort.

2.1. A szervokormány modellje

A szervokormányt a gépkocsi menetidejének kb.15%-ában használják kormányzásra, de ennek ellenére folyamatos energia ellátást igényel. Ez alól csak az újabb fejlesztésű elektromechanikus szervokormányok (EPS) jelentenek kivételt. Ennél a kormányberendezésnél is a vezető végzi a kormányzási munkát, amihez segédenergiát vesz igénybe. Így jelentősen nagyobb erő jön létre a kormányrudazaton. Természetesen ennél a rendszernél is kell veszteség teljesítménnyel számolni.

6.6. ábra - A szervokormány modellje

2.2. A segédenergiát hasznosító kormányberendezések, szervokormányok főbb részegységei

• Mechanikus kormánymű (a rásegítés kimaradása esetén is nagyobb erővel ugyan, de lehetővé teszi a gépkocsi irányítását.

• Vezérlő egység (a kormánykeréken kifejtett nyomatékkal arányos hidraulikus nyomást vezérel ki jobbra és ballra kormányzáskor).

• Munkahenger (a kivezérelt hidraulikus nyomást alakítja át a kerekek elkormányzását végző erővé)

2.3. A kormányzásnál használatos segédenergia változatok

• A belsőégésű motorral ékszíj áttételen keresztül hajtott hidraulika szivattyú

• Villanymotorral, a belsőégésű motortól függetlenül hajtott hidraulika szivattyú

• A villanymotor rásegítő nyomatéka közvetlenül egy mechanikus áttételen keresztül a kormánygépre hat (ez gazdaságosabb változat). Nélkülözi a hidraulikus egységeket.

Az alábbi diagram szemlélteti a kormánykerék ballra, illetve jobbra forgatásakor a rásegítés alakulását el- és visszakormányzáskor. A rásegítés egy bizonyos kézi nyomaték felett kezdődik el. Amikor nincs elkormányzás a szervo-szivattyú folyamatosan keringeti a hidraulika olajat a rendszerben. Ez egyúttal folyamatosan biztosítja a légtelenített állapotot. A rendszer bármely pillanatban készen áll arra, hogy létre jöjjön a rásegítés.

6.7. ábra - A szervokormány rásegítésének elméleti jelleggörbéje.

2.4. A hidraulikus szervokormány energiaellátásának lehetőségei

• A belsőégésű motorról ékszíjjal hajtott szárnylapátos, vagy fogaskerekes hidraulika szivattyúval. Ennek a megoldásnak az a hátránya, hogy egyenes menetben, amikor nem szükséges rásegítés, akkor is energiát vesz fel. Ha a szivattyút térfogatáram szabályozással látják el csökkenthető a veszteség teljesítmény. Nyomásfüggő mechanikus, vagy elektronikus térfogatáram szabályozás valósítható meg. Ezt gyakran a szivattyú belső szabályozásával valósítják meg. Ezért a nyomás hatására állítható forgórészű szivattyút alkalmaznak.

• Villanymotorral hajtott hidraulika szivattyú, ez független a belsőégésű motortól, tehát hibrid járműveknél is alkalmazható. A szivattyú fordulatszáma a pillanatnyi menetállapottól függ, de álló motornál is működik. A hajtó motor fordulatszámának szabályozása történhet elektronikával. Azért, hogy komfortos legyen a kormányzás, kellő gyorsasággal megfelelő rásegítő teljesítményt kell biztosítani. Az újabb változatoknál

„stand-by” üzemállapotot is igyekeznek megvalósítani. Ennél egyenes meneti helyzetben a szivattyút hajtó villanymotort az elektronika egy kisebb fordulatszámra kapcsolja.

2.5. A különböző gépkocsik hidraulikus szervokormányaihoz

használatos szervo-szivattyúk

Szerkezeti kialakításuk szerint lehetnek:

• szárnylapátosak,

• fogaskerék szivattyúk.

Általánosságban elmondható, hogy a 3,5 t össztömegig használatos gépkocsik szervo-szivattyúi 890 W - 1000 W. teljesítmény igényűek.

6.8. ábra - Saját belső szabályo-zással ellátott szárnylapátos szervo-szivattyú

6.9. ábra - Fogaskerekes szervo-szivattyú

Amennyiben a szervo-szivattyút nem látják el belső szabályozással, célszerű egy külső szabályozó egységről gondoskodni. Ez lehetővé teszi, hogy egyenes menetben nagyobb olajmennyiség cirkuláljon a rendszerben és ne alakuljon ki jelentős nyomás. Az elkormányzáshoz már kisebb mennyiség, de lényegesen nagyobb nyomás szükséges.

6.10. ábra - A szervo-szivattyú szabályozása

A szervo kormány energia igénye, melyet a szervo-szivattyúk teljesítenek:

A szervokormány térfogatáram igénye egyrészt a gépkocsi sebességétől, másrészt az elkormányzási szöghelyzettől függ. Ez diagramban egy térfelülettel ábrázolható.

6.11. ábra - A szervokormány energia igénye.

2.6. Servotronic a sebességfüggő rásegítés

Kis sebességnél, a gépkocsival történő manőverezés megkönnyítésére a nagyobb rásegítés előnyös, mert komfortosabbá teszi a kormányzást, megkönnyíti a vezető munkáját. Nagy sebességnél viszont, például autópályán sokkal kisebb kell legyen a rásegítés. Ennek az oka az, hogy biztosítani kell a gépkocsi minél biztonságosabb, nyomtartó vezethetőségét. Meglepő lenne, ha ilyenkor is kis kormánymozdulatra, nagy erővel és jelentős szöggel következne be az első kerekek elkormányzása. Emiatt a gépkocsi instabillá válna. Ezt az ellentmondást sebességfüggő rásegítéssel oldható fel. Ennek megfelelő a „Servotronic” szervokormány, melyet 1989 –óta alkalmaznak a személygépkocsikban. Ekkoriban még a belsőégésű motorról ékszíjjal hajtott szervo-szivattyú adta az energiát a rásegítéshez. A vezérlést az elektronika és a hidraulika kombinációjával oldották meg. Ehhez a szervokormány rendszerhez új forgótolattyús vezérlést, új elektronikát, elektromágneses szelepet és a műszerfalon elhelyezett ellenőrző lámpát alkalmaztak.

6.12. ábra - A servotronic rendszer részegységei.

A gépkocsi sebesség jelét az elektronika az elektronikus működésű sebességmérőtől kapja. Újabban az ABS elektronikától a CAN hálózaton érkező jelet használják erre a célra. A jel kiértékelése alapján működteti az elektromágneses szelepet, ami a rásegítést szabályozza. A kezdeti időben a gyújtás bekapcsolásakor világítani kezdett az ellenőrző lámpa és hibátlan rendszer esetén 5,5 km/h sebesség elérése után aludt csak ki. A szervokormány működéséhez szükséges 150 bar olajnyomást a szervo-szivattyú hozza létre és csövön keresztül a forgótolattyús vezérlő szelephez juttatja. Egyenes menetben a forgó tolattyú a hüvelyhez képest semleges helyzetben van. Az olaj szinte nyomásmentesen (0,5 – 1 bar) áramlik rajta keresztül a munkahenger mindkét felébe és onnan vissza az olaj tartályhoz.

Jobbra kormányzáskor a kormánykeréken kifejtett kézi nyomatékkal arányosan elcsavarodik a torziós rúd.

Ezzel arányos lesz a forgó tolattyú elfordulása az álló hüvelyhez képest. Emiatt változnak a tolattyúnál kialakított rések és így az olajnyomás is. A munkahenger dugattyújának bal oldali terében növekszik a nyomás, (a legnagyobb érték 150 bar lehet). Ennek hatására a dugattyú elmozdul. A jobb oldali munkatérből eközben az olaj a tartályba visszaáramlik.

Ballra kormányzáskor a folyamat hasonló módon zajlik le, de ekkor a munkahenger másik oldali terében fog kialakulni az olajnyomás, mely a kormánymű fogaslécére az előzővel ellentétes irányú erőt fejt ki.

A sebességfüggő rásegítéshez az elektromos sebesség jelet a szervokormány elektronikája kiértékeli és ennek megfelelő kitöltési tényezővel működteti az elektromágneses szelepet. Ezzel valósul meg a diagram szerinti áram szabályozás. Az elektromágnes a kúpos szelepet az árammal arányosan mozdítja el különböző helyzetekbe. Ezzel arányosan változni fog a fojtás, és így változni fog a nyomás, mely a rásegítést szabályozó tolattyúra hat és akadályozza annak elfordulását.

6.13. ábra - A sebességfüggő rásegítést megvalósító elektrohidraulikus egység.

6.14. ábra - A rásegítés kis és nagy sebességnél.

Napjainkban valamennyi korszerű szervokormány változat megvalósítja a sebességfüggő rásegítést.

2.7. Ellenőrző kérdések a hidraulikus szervokormányok részhez

1. Milyen segédenergia használható a szervokormányok működtetéséhez?

2. Milyen szabályozásokat alkalmaznak a szervo-szivattyúknál és ez miért szükséges?

3. Milyen működési elvű szervo-szivattyúkat alkalmaznak a hidraulikus szervokormányoknál?

4. Miért hátrányos, ha a belsőégésű motor ékszíjjal hajtja a szervo-szivattyút?

5. Mit jelent a „servotronic” működésmód és miért előnyös?

6. Hogyan jellemezhető egy szervokormány energia igénye?

7. Rajzolja le és magyarázza meg a hidraulikus szervokormány rásegítési diagramját!

8. Melyek a hátrányai a hagyományos hidraulikus szervokormányoknak?