Gépjármű Diagnosztika Szabó József Zoltán Főiskolai adjunktus BMF Mechatronika és Autótechnika Intézet
9. Előadás Szervokormány diagnosztika
A nehéz gépjárműveknél, autóbuszoknál már évtizedek óta szervokormánygépet alkalmaznak a kormányzási erő csökkentése érdekében. Napjainkban szinte csak ilyen személygépkocsi kerül forgalomba A szervokormánygépek diagnosztizálása jelentősen eltér (összetettebb) a mechanikus kormánygépekénél. A megbontás nélküli állapotvizsgálat szükségességét alátámasztja az a tény is, hogy a rendellenességet a járművezető a kormánykeréken kevésbé érzi, mint mechanikus kormánygépek esetében. A szervokormányok vizsgálata során a következő mennyiségek mérésére van szükség:
• rendszernyomás; • kézi nyomaték; • a kormánykerék elfordítási szöge
Szervokormány
A szervokormányokkal szemben támasztott követelmények: Gyakorlatilag a hidraulikus szervók terjedtek el, az utóbbi évtizedekben azonban megjelentek, s rohamosan terjednek az elektronikus vezérlésű, villamos motorral működtetett szerkezetek. a jármű akkor is kormányozható legyen (kézi erővel), ha meghibásodás miatt a szervo nem működik (egészen nagy - 20...100 tonnás - járművek esetén ettől eltekintenek, ezeket ugyanis puszta kézierővel úgysem lehet kormányozni); - ne legyen észrevehető holtjátéka, és ne legyen időkésedelme; - ne legyen önzáró, de a kerekekre ható ütéseket nagyon letompítva közvetítse a kormánykerék felé; - álló járműben is működjön; - egyenes haladáskor ne segítsen, hogy a vezető "érezze" a kormányt; - kormányzáskor fejtsen ki a kormánykerékre a kikormányzottság mértékével arányosan növekvő, de természetesen mérsékelt nagyságú reakció-nyomatékot, szintén azért, hogy a vezető "érezze" a kormányt.
Elektro-hidraulikus szervokormány: Első lépésként megjelent az elektro-hidraulikus szervokormány, amellyel jelentős tüzelőanyag-megtakarítás vált lehetővé, mivel a hidraulika-szivattyút egy villamos motor segítségével elválasztották a motortól. Ez azt jelenti, hogy a villanymotor csak szükség esetén hajtja meg a szivattyút, ellentétben a konvencionális rendszerrel, ahol a motor állandó áttétellel hajtotta, így állandó nyomást fenntartva a rendszerben, fölösleges tüzelőanyag-fogyasztást okozott. A gazdaságosságon kívül a rendszer másik nagy előnye, hogy a vezérlő program segítségével a rásegítő erő illetve nyomaték, a jármű állapotának megfelelően szabályozható.
Elektromos szervokormány: Az elektromos szervokormánnyal 1950 óta folytak kísérletek világszerte, de a gyártási technológia és költségek határt szabtak az elterjedésnek. Az első szériagyártású elektromos szervóval a Suzuki jelent meg egy évtizede, kisautói számára, hogy az álló helyzeti kormányzást megkönnyítse. Napjainkra az európai gyárakból kikerülő, elektromos szervokormányművel felszerelt személygépkocsik darabszáma utolérte a hidraulikus szervokormánnyal szerelt rendszereket.
Az elektromos szervokormány előnyei:
csak a tényleges kormányzási művelet idején igényel energiabevitelt a rásegítő erő (nyomaték) pontos adagolhatóságát teszi lehetővé kisebb beépítési térfogat és tömeg a jármű összeszerelési ideje és ezzel költsége csökken a karbantartási költségek csökkennek nincs hidraulika-folyadék a jármű többi elektronikus rendszerével képes együtt dolgozni
Az elektromos szervokormány hátrányai:
Az elektromos szervokormány legnagyobb hátrányaként a gyártási költség említhető, de ez a hátrány a sorozatgyártás növekedésével mérséklődött.
Az elektromos szervokormány felépítése:
A rendszerrel szemben támasztott követelmények Az elektromos szervokormánnyal szemben támasztott követelményeket a következő csoportokba foglalhatjuk: szoftver hardver kormányzási érzés
Szoftver A szabályozó elektronika szoftverét érintő követelmények kiterjednek a program felépítésére, sebességére, memóriaigényére, processzorigényére és a szoftver tudására. A mai rendszerek általában már a következő funkciókat tudják ellátni: - rásegítő nyomaték számítás, - visszatérítő nyomaték számítás, - csillapító nyomaték számítás, - nyomaték leszabályozás a véghelyzetnél. A fent említett számított paramétereken kívül, a programnak rendelkeznie kell ún. Safety Management-el, amely az esetleges meghibásodások figyelésére, a rendszer biztonságos működésének biztosítására szolgál.
Hardver A hardvert érintő követelmények igen sokrétűek, mivel a környezeti feltételektől kezdve, egészen a kibocsátott zajig igen sokféle előírásnak kell megfelelnie. A környezeti hatások közül a legfontosabbak: - hőmérséklet - nedvesség - elektromágneses tér - rezgések. A villamos motornak elegendő nyomatékot kell kifejtenie a jármű kormányzásához, annak ellenére, hogy energiafogyasztása és maximális áramfelvétele a gyártók által szintén limitált. A szervomotor által kibocsátott zaj minimalizálása igen fontos követelmény, függetlenül attól, hogy a motort hová építik be a kormányrendszeren.
Vezetési érzés A vezetési érzés vonatkozásában a legszigorúbbak a követelmények. A személygépkocsi-gyártók arra törekednek, hogy az elektromos rásegítést “ne lehessen észrevenni”. Ez azt jelenti, hogy a hidraulikus rendszerhez hasonló karakterisztikájú kormányzást kell megvalósítani, a nyomatékkifejtés, a nyomatékkifejtés egyenletessége, a visszatérítő nyomaték és a lengések vonatkozásában.
Szervomotor elhelyezése
Az elsődleges szempont, hogy hol van elegendő hely a beépítéshez. fontos szempont, hogy a szervomotor után a rendszer kellően merev és holtjátékoktól mentes legyen. A beépítés helyét befolyásolja még, hogy a motort milyen burkolattal, védelemmel kell ellátni.
Szervomotor felépítése A kormányrendszerben való alkalmazás szempontjából a legkedvezőbb tulajdonságokkal az egyenáramú, kefe nélküli villamos motor rendelkezik. Kedvező nyomatéki karakterisztikája és kis karbantartási igénye miatt jól megfelel az elvárásoknak. A motor kormányzás szempontjából legfontosabb tulajdonságai: a gyors reagálási képesség, kis súrlódás, kis tehetetlenség egyenletes nyomatékkifejtés.
Hajtómű felépítése A hajtómű megválasztásánál az első lépés az áttétel nagyságának meghatározása és a hajtómű típusának kiválasztása. A hajtómű kormányzásra gyakorolt hatása szempontjából a legfontosabb:
a kis súrlódás
a holtjáték mentesség,
a hosszú élettartam.
A jeladók kialakítása
Az elektromos szervokormány működése szempontjából csak a vezető nyomatékát mérő nyomatékjeladó megléte alapvető követelmény ha feltételezzük, hogy a jármű sebességének mérése adott. A nyomatékjeladó megtervezésénél, kiválasztásánál a legfontosabb szempont a jeladó mérési határa és pontossága.
Elektronikus vezérlőegység (ECU) Az elektromos szervokormány elektronikus vezérlőegységének feladata a villanymotor áramellátása, kommutációjának szabályozása (teljesítmény-elektronika), valamint a rendszer funkcionális működésének biztosítása. Ezt ma már csak egy mikrokontroller alkalmazásával oldják meg, amely a rendszer teljes számításigényét kielégíti.
Szoftver A rendszert irányító szoftver általában két részből áll. Az egyik feladata a villamos motor áramellátásának szabályozása (áramszabályozás és a kommutáció vezérlése), a másik a rendszer funkcionális működését teszi lehetővé, és a biztonsági funkciókat végzi.
Diagnosztika, kommunikáció Mint minden elektronikus járműrendszernek, úgy az elektromos szervokormánynak is lehetőséget kell biztosítania a diagnosztikára. Ezen belül: a beállításokra, a hibakódok kiolvasására a szükséges mérések elvégzésére. A diagnosztikai műszer és a vezérlő elektronika között a kapcsolatot a CAN busz (Controller Area Network) teremti meg, ami a jármű-elektronikák adatcseréjéhez kifejlesztett soros kommunikációs rendszer.
Vezetőasszisztens-funkciók Mindenképpen említést érdemel a következő két funkció: a „lane-keeping” (nyomvonal-tartás) és a félautomata parkolás. Amennyiben a jármű – a vezető figyelmetlensége folytán – letér a nyomvonalról, a „lane-keeping” funkció apró, lökésszerű kormánymozgásokkal figyelmezteti a vezetőt, aki a megfelelő mozdulattal visszavezetheti az autót a kívánt pályára. A jelenleg használatos parkolási rendszerek lemérik a parkolási távolságot, majd hang- és fényjelzésekkel segítik a vezetőt. A jövőben az elektromos szervokormányművet közvetlenül a parkolássegítő rendszer fogja vezérelni.
Aktív kormányzás A komfortosabb vezetés és az aktív biztonság érdekében, a ZF Lenksysteme, a BMW-vel szorosan együttműködve, kifejlesztette az aktuális utazási körülmények függvényében folyamatosan változó áttételi aránnyal működő aktív kormányrendszert. Használatával élvezetessé válik a vezetés a kanyargós utakon, ugyanakkor városi forgalomban csökken a vezető karjának, illetve idegrendszerének terhelése és növeli az aktív biztonságot is. Amennyiben egy autó elkezd megperdülni az úton, az elektronikus stabilizáló program a megfelelő kerekek fékezésével állítja helyre a menetstabilitást. Sokkal logikusabb, ha a kormányrendszert használjuk erre a célra. Pontosan ez az, amit az ESP és az aktív kormányrendszer kombinálásával létrehozott új funkció végez.
Elektro - hidraulikus szervokormány ellenőrzése beépített állapotban
Szervo‐rendszerek gyakori hibái és okaik Hibajelenség
Valószinűsíthető oka
Javasolt elhárítás
Zajos szervorendszer
Tömítetlenség
Porvédők ellenőrzése
Kevés szervoolaj
Tömítetlenség
Ellenőrzés és utántöltés
Ékszíjzaj
Ékszíj vagy feszítő görgők állapota nem megfelelő
Ékszíj csere
Kormány megszorul
Kardáncsukló hiba
Csere
Nincs szervohatás
Elszakadt ékszíj / szervoszivattyú kopása
Ékszíj csere
Szervohatás csak egy irányban működik
Kormánymű öntvényház / vezérlő tengely gyűrűinek kopása
Kormánymű csere
Kormánykerék beremeg
Nyomóági nagynyomású vezeték hibás / szervoszivattyú „kagylós” kopása
Szervoszivattyú cseréje
Kormánymű középső állásban jobbra‐balra magától mozog
Fogasléc középső részének és orsótengelyének kopása
Elégtelen kenőanyag mennyiség okozta, csere
Menet közben kopogó hang
Kanyarstabilizátor szélső gömbfejei / középső szilentjei okozzák
Futómű probléma
Elektro ‐ hidraulikus szervokormány ellenőrzése beépített állapotban: 1.1. Mechanikus kormányholtjáték mérése 1.2. Könnyűjárás mérése 1.3. A kormánykerék teljes körülfordulásainak számlálása 1.4. Szivárgásmentesség megállapítása 1.5. Hidraulikus vezérlési holtjáték mérése 1.6. Teljes kivezérlési szögelfordulás mérése 1.7. Kezdeti rásegítés kézi nyomatékszükségletének mérése 1.8. Teljes rásegítés kézi nyomatékszükségletének mérése
1.9. Teljes kivezérlésnél mérhető kormánytengely‐nyomaték mérése 1.10. Vezérlési késedelem mérése 1.11. Résolajveszteség mérése teljes kivezérlésnél 1.12. Végállás határoló lefúvószelepek működésének ellenőrzése 1.13. Hidraulika olaj hőmérsékletének mérése 1.14. Zajosság (morgás) ellenőrzése 1.15. Önzárás‐mentesség vizsgálata 1.16. Önvezérlő‐mentesség ellenőrzése
1. A mechanikus holtjáték: a mechanikus kormányművek az egyes elmozduló elemek közötti hézagból adódó kormány szögelfordulási lehetőség rögzített pittmann-tengely mellett. A kormány holtjáték nagysága az elemek illeszkedésétől és a kormánykeréken alkalmazott nyomatéktól függ. Személygépkocsik kormányánál 15-30° 5 Nm kézi nyomaték mellett. A szervó kormányok mechanikus holtjátéka 6°-nál nem lehet nagyobb. A paraméter méréséhez kézi nyomatékmérő, szögtárcsa és szög jeladó szükséges. 2. „Könnyűjárás” mérés : a függetlenített kormánygépet a kormánykerékkel szélső helyzettől szélső helyzetig elforgatjuk megközelítőleg 0,5 1/sec szögsebességgel) az alkalmazott kézinyomaték nem haladhatja meg a 7 Nm értéket. A méréshez kormány nyomatékmérőt kell használni. 3. Kormánykerék körüljárásának száma: A kormánykerék teljes körülfordulásainak megszámolása, szokásos értéke 3 -6 körülfordulás között lehet, de a korszerű járműveknél ez az érték már 1,7 – 2,5 körül van.
4. Szivárgásmentesség: megállapításához a kormánytengelyt rögzítjük a szivattyút működésbe hozzuk (a motort beindítjuk és az előírt fordulatszámra állítjuk 1000-1500 ford/min. A kormánykereket jobbra elforgatjuk a maximális kivezérlő nyomatékkal és 30 másodpercig így tartjuk. Szemrevételezéssel ellenőrizzük, hogy olajfolyás, szivárgás, csepegés nem keletkezett-e? A mérést balra forgatva megismételjük. A mérést 1 perces szünetet tartva háromszor újra el kell végezni. (A vizsgálat végén az olaj hőfoka 80ºC lehet!) A méréshez kormánynyomatékmérő szükséges. 5. Hidraulikus vezérlési holtjáték mérésének célja annak mégállapítása, hogy a kormány tengelyen keletkező hidraulikus rásegítés mekkora kormánykerék szögelfordulásnál lép fel. Mérését a következőképpen végezzük: - működő szivattyú mellett a kormánykereket lassan jobbra forgatjuk, míg a hidraulikus rásegítés megindulását nem észleljük (a rásegítés kezdetét a nagy nyomású körbe épített nyomás jeladó észleli és a kör 0,1 MPa nyomás változására jelez) A mérést megismételjük balra is. A méréshez szükséges műszer: kormánykerék szög-jeladó és nyomásjeladó a nagy nyomású térbe csatlakoztatva. azt a kormánykerék 6. Teljes kivezérlési szögelfordulás:_alatt s:_ szögelfordulást értjük, ami biztosítja a teljes hidraulikus rásegítést. Ennek értéke max. 25° lehet. A méréshez szükséges: kézi nyomatékmérő és a nagy nyomású körbe szerelt nyomás-jeladó.
7. Rásegítés kezdeti kézinyomaték-érték :alatt azt a kormánykerék: nyomatéki értéket értjük, amelynél éppen megindul a hidraulikus rásegítés (a vezérlőszelep nyitáspillanata) A méréshez kormánykerék-nyomatékmérő és a nagy nyomású körbe épített nyomásjeladó szükséges. 8. Teljes rásegítés kézinyomaték szükséglete: alatt értjük azt a kézinyomaték-értéket, amelynél kialakul a teljes rásegítés (teljes kivezérlési állapot). Ennek maximális megengedett kézinyomaték-értéke 50 Nm lehet. A méréshez szükséges kormánynyomaték-mérő ás kormánytengely nyomatékát mérő jeladó. 9. Teljes kivezérlésnél mérhető kormánytengely nyomatéka: alatt a teljes rásegítésnél kialakuló kormánytengely nyomatékot értjük. Mérése az előző (8. pont) méréssel azonos, de a kézinyomaték nagyságát a teljes rásegítésig fokozzuk. (J6l működő és jól beállított kormánynál a két érték megegyezik.) Méréséhez a 8. pontban leírt műszerek szükségesek. 10. Vezérlési késedelem: alatt azt az időintervallumot értjük, amely ahhoz szükséges, hogy a vezérlőrendszer elmozdítását követően a kormánytengelyen az elmozdulással arányos nyomaték jelentkezik. 11. Vezérlőelemek tapadásának: részletes ismertetését lásd. a vezérlési jelleggörbe tárgyalásánál.
12. Résolajveszteség teljes kivezérlésnél : az az olajmennyiség, ami a rendszer tömítetlerisége miatt a vezérlőszelepek teljes lezárása mellett is átfolyik. A mérési adat jellemző a szervókormánygép tömítő elemeinek kopottságára (munkadugattyú-henger, vezérlőtolattyú-henger stb.). A mérés menete: a kormánykereket a teljes kivezérléshez szükséges kézinyomaték értékkel jobbra forgatjuk 5 másodperc eltelte után mérjük a visszafolyó ágban az olaj mennyiségét. A mérést balra megismételjük. Általánosan megengedett értéke a szivattyú által szállított olajmennyiség 15% (kb. 1-2 dm3 /min.). A méréshez kormánykerék nyomatékmérő, és a visszafolyó ágba bekötött résolajmennyiség-mérő szükséges. 13. Végálláshatároló lefúvószelepek: működése akkor helyes, ha a kormánygép szélső állásában maximális kivezérlési kormánykerék-nyomaték mellett a szivattyú nyomása nem emelkedik a maximális nyomásérték 10%-a fölé. A mérést mindkét szélső helyzetben el kell végezni. A méréshez szükséges: a kormánykerék-nyomatékmérő, és a nagy nyomású rendszerbe csatlakozó nyomásjeladó.
14. A hidraulika olaj hőfoka: a visszafolyó ágban mérve 40-60 °C között lehet. Méréséhez szükséges: a visszafolyó ágba épített hőmérséklet jeladó. 15. Zajosság „(morgás)”: a szervókormány gépekben bizonyos kritikus nyomásviszonyok mellett (részterhelésnél) hidraulikus lengés keletkezik. A rezgésszám kormánytípusoktól függően változó (100200 Hz). A rezgés a kormányzást nem zavarja. 16. Önzárásmentesség: általános követelmény a kormánygépeknél. 17. Önvezérlőmentesség: alatt értjük azt, ha a szabadon hagyott kormánymű, működő olaj szivattyú mellett megmarad eredeti helyzetében.
A szervokormány-vizsgálat végrehajtása SZERVOTESZTER®, mérőberendezéssel
1 hidraulikus csatlakozó; 2 gyűjtődoboz; 3 mérőkormány; 4 elektronikus vezérlőegység; 5 állítható rudazat; 6 mérővezeték; 7 mérővezeték; 8 csatlakozókábel; 9 csatlakozókábel
A SZERVOTESZTER használata A mérések vezérlése a mérőkormány, a hidraulikus csatlakozó egység, valamint az elektronikus vezérlőberendezéssel történik. A mérési eredményekről mellékelt számítógépes program segítségével jegyzőkönyv dokumentum készíthető. Az 1 hidraulikus csatlakozó berendezés biztosítja a szervokormány hidraulika rendszerébe történő csatlakozást, lehetővé teszi a rendszer elzárását a szivattyú diagnosztikájához, biztosítja a mérővezeték bontható csatlakoztatását. A mérőkormányt az állítható rögzítő küllőkkel a jármű kormánykerekére lehet felfogni. A mérőkormány központi lapját az állítható rudazattal és a tapadókoronggal lehet a szélvédő belsejéhez rögzíteni. A nyomatékmérő jeladó vezetéke forgócsatlakozóval illeszkedik a mérőkormány közepéhez. A szögelfordulás jeleket továbbító vezeték az állítható rudazat mentén van
Statikus vezérlési jelleggörbe felvétele és értelmezése „pillangó” diagram Forrás: Műszaki Könyvkiadó
0-a-b – Kikormányzásra jellemző szakasz b-c-d-0 – Visszakormányzásra jellemző szakasz 0-a – Mechanikus tartomány α k – Mechanikus szakasz áttételi jellemzője αsk – Szervohatással erősített mechanikus áttétel jellemzője αsv – Kormánytengely kormánykerékre visszaható áttételének jellemzője b – A szervokormánygép névleges vezérlő és kimenő nyomatéka b’-c’ – Visszaállási készség jellemzője
Statikus vezérlési jelleggörbe Forrás: Műszaki Könyvkiadó
A vezérlési karakterisztika kiértékelése AZ ábrán jelöltük egy jól működő szervókormánygép vezérlési karakterisztikáját (a zavaró rezgések elhagyásával). A jelleggörbe 0 - a szakasza a mechanikus kormányzási szakaszt mutatja, helyes értéke általában 0-10 Nm. Az a-b szakasz a hidraulikus rásegítéssel együtt a kormánytengelyen megjelenő nyomatékértéket mutatja, ahol a b pontban a maximális kivezérlésnél mérhető kormány tengely nyomaték olvasható le (általában 35—55 Nm kézinyomatéknál kell, hogy kialakuljon). A b-c szakasz a szeróvkormánygép “tapadási” jellemzője, ami a terhelés alatti mechanikus szerkezetek súrlódás adódik. Nagysága a felületek minőségének romlásával (berepedés, kopás) nő. A c-d-0 szakasz meredeksége a vezérlőszelepek nyitását követően a munkatérből kifolyó Olaj áramlási ellenállását jelzi.
A jelleggörbe alapján megállapítható hibák Forrás: Műszaki Könyvkiadó
B – A szervokormánygép vezérlő elemei, illetve az azt vezérlő elemek szorulnak
A – A rásegítés kezdeti értéke túl alacsony
C – Nem alakult ki a rásegítéshez szükséges maximális olajnyomás, mert nagy a résolajveszteség, vagy a szivattyú hibás
Hidraulikus szervokormánymű karbantartása Hidraulika olaj feltöltése és a rendszer légtelenítése Forrás: Műszaki Könyvkiadó
1 – Kormánygép a vezérlőberendezéssel és a munkahengerrel (integrális szervokormánymű) 2 – Hidraulika olajszivattyú 3 – Hidraulika olajtartály szűrővel
Szétszerelés utáni hibafelvételezés, javítási lehetőségek Az integrális kormánymű alkatrészeinek javítási
Forrás: Műszaki Könyvkiadó
1 – Rotor 2 – Fedél 3 – Csapágy 4 – Nyomáshatároló szelep 5 – Torziós rúd 6 – Szelepanya 7 – Orsó 8 – Dugattyú 9 – Felső határolószelep 10 – Golyós menet 11 – Ház 12 – Alsó határolószelep 13 – Kormánykar
lehetősége
Szervokormánymű próbapadi ellenőrzése A próbapad szerkezeti felépítése ‐ OSZVALD 4 1 – Műszer kijelzőegység 2 – Mérő kormánykerék 3 – Mérő kormánykerék elektromos vezetékcsatlakozása 4 – Résolaj-mérő jeladó 5 – Résolaj-mérő jeladó elektromos vezetékcsatlakozása 6 – Nagynyomású jeladó 7 – Integrális felépítésű szervokormánymű 8 – Elektromos elosztó 9 – Villamos vezetékcsatlakozás a nagynyomású jeladóhoz 10 – Visszafolyó olajvezeték 11 – Nagynyomású olajvezeték Forrás: Műszaki Könyvkiadó
