Liviu-Vasile Pop 
Mihai Souca 
Rudolf Mate Atunci când cineva se gândește să cumpere o mașină, primul aspect pe care îl ia în considerare este caroseria. Unii își doresc un SUV care să îi ducă pe cele mai înalte vârfuri ale munților, alții își doresc o mașină mică, care să poată pătrunde prin cele mai înguste străzi și care să încapă în cele mai strâmte locuri de parcare. După aceea se iau în calcul următoarele aspecte: scaune încălzite, senzori de parcare, controlul vitezei de croazieră/ pilot automat și așa mai departe... Toate acestea sunt lucruri pe care le poți verifica online, citind fișa de specificații. Ceea ce te face cu adevărat să cumperi mașina este momentul când te așezi pe scaunul șoferului și faci o tură. Aici, cu siguranță suntem de acord că sistemul de servodirecție joacă un rol cheie. În zilele noastre, cele mai multe mașini utilizează o Servodirecție Electrică (EPS) care îi facilitează șoferului manevrele de direcție.
Servodirecția electrică (EPS) controlează și oferă asistență vehiculului pentru a vira, cu sprijinul unui motor electric inteligent. Bazându-se pe semnalul de direcție de la senzorul de cuplu, unitatea de control calculează suportul de direcție optim și transmite informația către motorul electric pentru a oferi asistența necesară.
Variantele EPS acoperă toate cerințele pentru clasele de mașini de pasageri și chiar și pentru vehiculele comerciale ușoare. În funcție de variantă, cuplul motorului este transferat în moduri diferite.
Figura 1. Tipuri de sisteme de servodirecție electrică
Servodirecția electrică cu unitate servo pe coloana de direcție (EPSc) controlează și ajută condusul pentru vehiculele până la clasa medie inferioară, în timp ce EPS cu servomecanism pe un singur pinion (EPSp) poate acoperi clasa medie. Sistemul cu motor electric instalat pe un al doilea pinion (EPSdp) poate asista vehiculele de la clasa compactă până la SUV-uri, iar sistemul paraxial cu transmisie (EPSapa) poate merge până la mașini sport și vehicule comerciale ușoare.
Cum tehnologia evoluează, ideea automatizării diferitelor procese devine tot mai evidentă. Putem observa această tendință în toate domeniile ingineriei și mult dincolo de acestea. Sarcini care, în mod obișnuit, erau efectuate de către oameni sunt acum realizate de o mașină, care este automatizată în așa fel încât să obțină eficiență maximă cu un risc minor. Cu toate acestea, nivelul de independență al mașinii variază odată cu complexitatea sarcinii de care se ocupă. Această idee poate fi de asemenea transferată în lumea automobilelor, unde deja putem vedea funcții precum Parcare Automată, în care mașina preia o parte din deciziile asupra manevrelor pe care le execută pentru a parca. Acest grad de libertate în decizii pe care îl are un sistem auto este numit "Nivelul de automatizare a conducerii", unde 0 este cel mai mic (complet manual) și 5 este cel mai mare (complet autonom).
Cu cât nivelul de automatizare este mai înalt, cu atât nivelul de siguranță pe care mașina ar trebui să îl atingă este mai mare. Luând în considerare faptul că nivelurile mai înalte de automatizare implică condusul fără acțiunea șoferului, nivelul de siguranță al unei mașini este obținut printr-o combinare de software și hardware care oferă redundanță și rate mici de defecțiuni FIT (Failure In Time).
Figura 2. Societatea Inginerilor Auto (SAE) definește șase niveluri de automatizare a conducerii, de la 0 (complet manual) până la 5 (complet autonom). Această figură prezintă doar nivelurile care au automatizare.
Unitate control direcție/ Steering Control Unit Gen3 B3 este potrivit pentru utilizarea funcțiilor de asistență pentru condus inteligente până la nivelul 2 SAE. Această variantă primară a unității mecanismului de direcție este caracterizată de fiabilitate ridicată.
Unitate control direcție/ Steering Control Unit Gen3 C3/C6 este potrivit pentru utilizarea funcțiilor inteligente de asistență pentru condus până la nivelul 2+ SAE. În eventualitatea puțin probabilă a unei defecțiuni a părților electronice, un al doilea circuit electronic (de rezervă), complet independent, preia controlul funcției de direcție a acestei variante a unității mecanismului de direcție. Variantele C3 și C6 diferă, în principal, prin utilizarea unui motor cu trei sau șase faze.
Unitate control direcție/ Steering Control Unit Gen3 D12 este potrivit pentru utilizarea funcțiilor de asistență pentru condus inteligente până la nivelul 4 SAE. În această variantă de mecanism de direcție pentru conducerea automată până la nivelul 4 SAE, un al doilea circuit electronic, complet independent, preia controlul funcției de direcție în eventualitatea, puțin probabilă, a unei defecțiuni a părților electronice. Aceasta oferă o asigurare optimă a capacității de control în cazul unei defecțiuni. Cel puțin 50% din asistența la direcție va fi menținută.
Figura 3. SCU D12 (stânga) comparat cu SCU C6 (dreapta)
Tehnologia nu încetează niciodată să se dezvolte, noi soluții și concepte apar din ce în ce mai des în toate domeniile. Industria automobilelor a fost dintotdeauna un pic mai înceată în comparație cu alte industrii, precum cea a telefoanelor inteligente, dar asta nu înseamnă că nu sunt dezvoltate noi concepte în spatele cortinei. În această industrie, după cum am mai menționat anterior, siguranța este mai importantă decât orice funcționalitate senzațională. De aceea, mașinile noi încă utilizează o tehnologie veche de cinci până la zece ani, deoarece aceasta oferă nivelul dorit de siguranță.
În timp ce industria automobilelor progresează în direcția "mobilității electrice", modalitatea de abordare a designului și producției unei mașini este destul de diferită de cea pe care o utilizăm astăzi. A face loc pentru baterii, a reduce din greutatea șasiului sunt câteva din provocările pe care le au de înfruntat companiile producătoare de automobile.
Pentru a vedea unde va suferi modificări servodirecția electrică (EPS), vom arunca o privire asupra construcției și principiului de funcționare. În următoarea figură, pot fi observate cele mai importante componente ale acestui sistem.
Figura 4. Ilustrație abstractă a EPS
Majoritatea conceptelor care descriu cum vor arăta vehiculele viitorului prezintă o mașină fără volan sau cu un volan care este ascuns dacă nu este folosit.
Acest lucru va fi posibil numai cu ajutorul unui sistem de direcție electrică (steer-by-wire system). Prin îndepărtarea legăturii mecanice dintre roți și volan, vor fi disponibile noi posibilități în ceea ce privește designul și conducerea autonomă. Dispariția coloanei de direcție va permite o ambalare mai facilă, dar principalul avantaj pentru utilizatorul final va fi confortul. Într-o mașină a viitorului, șoferul va putea deveni pasager fără niciun disconfort și nu va mai exista un volan mobil în modul autonom.
Cea mai mare problemă legată de orice sistem de conducere electrică de tip "steer-by-wire" este siguranța sa. O componentă mecanică este mult mai sigură decât un cablu care transferă niște date. O altă provocare este găsirea unei modalități prin care șoferul să primească un feedback adecvat. Luând în considerare că nu va mai exista nicio legătură mecanică între EPS și volan prin care să se transmită șoferului feedback de la roți, un sistem de conducere electrică de tip "steer-by-wire" s-ar putea simți ca și condusul într-un joc video. În acest scenariu, găsirea unei modalități adecvate prin care să asiguri siguranța pasagerilor și să oferi un feedback adecvat asupra drumului, poate fi destul de dificilă. Prin soluționarea problemelor de siguranță și feedback, acest sistem ar avea multe avantaje. Dacă coloana de direcție poate fi eliminată, atunci designerii de vehicule vor avea mult mai multă libertate în proiectarea părții frontale a mașinii. Funcționalități precum raportul de direcție variabil, moduri de feedback diferite în funcție de situația de conducere vor fi implementate cu ușurință.
Conducerea autonomă ar putea oferi o experiență total diferită, deoarece volanul nu trebuie neapărat să se miște dacă mașina se conduce singură. Proprietarul mașinii ar putea deveni din șofer un pasager, fără a face vreun compromis în privința confortului. De asemenea, volanul ar putea fi utilizat pentru distracție.
Un sistem de direcție electrică (steer-by-wire) are două componente, subsistemul casetei de direcție, iar cealaltă componentă este elementul operat de către șofer, care se numește subsistemul volanului. Acesta poate fi un joystick, un touch-pad sau, în următoarea generație a sistemelor de direcție, va fi tot un volan cu un actuator (element de acționare). În următoarea figură putem observa cele mai comune și importante componente ale unui sistem de direcție electrică de tip "steer-by-wire". Cea mai mare diferență, în comparație cu un sistem de direcție clasic, este că nu există coloană de direcție. Volanul nu este legat direct de caseta de direcție.
Figura 5. Ilustrație abstractă a unui sistem Steer-by-Wire
Cea mai importantă parte din subsistemul volanului este motorul electric, care este responsabil de feedbackul pentru șofer.
Pe scurt, în lipsa acestui actuator, șoferul nu ar putea conduce mașina în siguranță. În mod obișnuit, această componentă este conectată la volan printr-o transmisie. Pentru a putea acționa roțile în concordanță cu volanul, un senzor al unghiului de direcție este necesar, de asemenea - acesta este de obicei montat direct pe volan.
Subsistemul casetei de direcție este foarte similar unuia tradițional. În cazul acestui sistem, scopul motorului electric nu este să asiste șoferul, ci să vireze singur mașina în funcție de comenzile primite. Acest motor acționează caseta de direcție printr-o transmisie. Pentru a putea stabili dacă cremaliera se află în poziția dorită, un senzor de poziție este, de asemenea, necesar.
Controlul întregului sistem se realizează, de obicei, printr-o unitate centrală de control electric (ECU). Pe baza datelor măsurate și a celor primite de la celelalte unități ECU, această unitate centrală dă comanda celor doi actuatori. Scopul său este să se asigure că șoferul simte corect mașina, iar roțile mașinii sunt în poziția corectă, astfel încât mașina va merge în direcția dorită.
În zilele noastre, lumea se schimbă într-un ritm alert. Vedem cum tehnologii noi sunt dezvoltate mai rapid, nivelurile de automatizare ale fabricilor sunt tot mai ridicate, vedem telefoane mai inteligente, orașe mai inteligente și, în final, mașini mai inteligente. Pentru a ține pasul cu acest ritm, industria automobilelor este provocată să dezvolte mașini mai sigure, ceea ce înseamnă componente mai sigure. În acest proces este implicată și servodirecția electrică (EPS). Unitatea de control al direcției (SCU) este acum provocată să obțină niveluri mai mari de automatizare, ceea ce implică redundanță și rate FIT mai mici. Această schimbare vine și din designul hardware-ului și de la software. În contextul direcției electrice (steer-by-wire), noi funcționalități trebuie să fie dezvoltate pentru a sincroniza corespunzător componentele sistemului, a furniza un feedback adecvat șoferului și, de asemenea, a oferi siguranța de la un capăt la altul. După cum am observat, ECU joacă rolul principal în marea transformare spre "mobilitate electrică". Dacă le facem mai inteligente, mai rapide și mai durabile, vom pava calea spre condusul asistat și automat. Aceasta înseamnă că sistemele de direcție electrice din noua generație vor deveni tehnologia cheie pentru condusul automat.
[1]G. Reimann, P. Brenner, and H. Buring, Steering Actuator Systems. Springer International Publishing Switzerland 2015.
[2] M. Harrer and P. Pfeffer, Steering Handbook. Springer International Publishing, 2017.
[3] R. Mate, Control concept for steer-by-wire systems, 2021
[4] BOSCH Mobility solutions [ONLINE], Available: https://www.bosch-mobility-solutions.com
de Ovidiu Mățan
de Ovidiu Mățan
de Ovidiu Mățan
de Ovidiu Mățan
