Электрическая рулевая колонка

В настоящее время все системы рулевого привода с усилителем, находящиеся в серийном производстве, поддерживают механическую связь между передними колесами транспортного средства и рулем. Если система поддержки, будь она электрической или гидравлической, откажет, механическая связь все еще сохраняет работоспособность как резервная. Более того, действующие сегодня инструкции требуют обязательного наличия такой механической связи. Однако жесткая механическая связь — это доминирующий недостаток, поскольку он влияет на характеристики функционирования системы. Проблемы типа шума, вибрации и низкочастотного громыхания (noise, vibration, harshness — NVH), и склонности приводить к авариям — все это следствия данной жесткой системы.

Успехи в мехатронных системах означают, что жесткая механическая связь может быть заменена проводами. Автомобили с электрической колонкой преобразуют вращение руля в поворот передних колес, используя датчики и привод, управляемый с помощью электроники, вместо обычной рулевой стойки. Обратная связь для водителя — важная особенность рулевой системы — создается при помощи привода обратной силы, размещаемого позади руля. Пункт инструкции о жесткой связи заменяется требованиями к системе в целом.

Рис. Компоновка отказоустойчивой системы электрической рулевой колонки (источник: TRW Automotive)

Понятно, что развитие систем электрического руля определяется надежностью используемых компонентов. Сейчас ведется много разработок по «архитектуре системы, толерантной к отказам», то есть отказоустойчивым системам. Целью работ является достижение потока фатальных отказов менее 10^-7 в час рабочего времени. Этот показатель не может быть достигнут в настоящее время при использовании одноканальных электронных блоков управления (ECU). Чтобы получить «уровень целостности» (integrity value), сопоставимый с таковым с системами с механической связью, электрическая рулевая колонка должна быть в состоянии игнорировать одиночные электрические или электронные ошибки в любой из ее подсистем. Она должна также включать метод обнаружения этих ошибок. Такая толерантность, похоже, исключила бы возможность внезапного фатального отказа. Однако соответствующая обработка ошибки может привести к ограничению скорости транспортного средства, а в критических условиях она препятствовала бы автомобилю стронуться с места.

Обратная связь с передачей усилия на рулевое колесо, как принято считать, является менее критической в смысле безопасности. Однако для высокоскоростного пассажирского автомобиля может быть критическим время реакции водителя. По этой причине привод обратной силы должен также быть частью отказоустойчивой системы. Полная архитектура системы рулевой колонки, толерантной к отказам, должна иметь значительную избыточность. Другими словами, это означает, что почти все компоненты дублируются и должны быть обеспечены отказоустойчивой системой электропитания.

Рис. Архитектура системы электрической рулевой колонки (источник: TRW Automotive)

На рисунке приводы «обратной силы» помечены символами HWA, а приводы «рулевой стойки» — символами FAA. Электронный блок управления рулем (CECU) содержит два идентичных ECU. Индексы М и S относятся соответственно к двигателям и датчикам.

Электропитание является критическим фактором для любой системы X-by-wire. Автомобиль среднего размера будет требовать пиковой выходной мощности приблизительно 1000 Вт для работы рулевой колонки с максимальным качеством. Общее потребление энергии относительно низко, но из-за пиковой нагрузки большинство систем разрабатывается с расчетом на источник 42 В. Блок управления в случае необходимости может работать и при 14 В. Сценарий в настоящее время таков — блоки электропривода будут требовать дублированных источников 42 В, a ECU — дублированных источников 42/14 В.

Многие преимущества, которые способны обеспечить электрические рулевые колонки, дают основание предположить, что они станут доступны в ближайшее время. Компания TRW Automotive, известный и уважаемый OEM-производитель, обещает, что электрические рулевые колонки будут готовы к производству к 2007 г.