ELEKTRONİK KONTROLLÜ YÖNLENDİRME SİSTEMİ Ali ÇAVDAR 1 Abdullah DEMİR 2 ÖZET Otomobil üreticileri gelişmiş yönlendirme kontrollü, sürüş ve yol tutum özelliklerine sahip direksiyon sistemlerini üretmek için gayret göstermektedirler. Mevcut durumda kullanılan uygulamalar mükemmel olmakla birlikte, daha da ileri gidilerek yapılanların ötesine geçmeye çalışılmaktadır. Bu düşünceden hareketle değişken destekli yönlendirme sistemleri gündeme gelmiştir. ABSTRACT Automotive manufacturers are researching about advanced steering systems and steering systems which have good ride and handling. At the result, Variable-assist steering systems are developed. In this study, these systems are examined. 1. DEĞİŞKEN DESTEKLİ YÖNLENDİRME 1.1 ELEKTRONİK KONTROLLÜ SERVO YÖNLENDİRMELİ [ECPS] SİSTEMİNİN TEMELLERİ ECPS [Electronically Controlled Power Steering] sistemi; yönlendirme hissini [steering feel], güç biriktirme etkinliğini iyileştirir ve yönlendirme performansını arttırır. Bir elektronik kontrol sistemi [ECS], hidrolik takviyeye [hydraulic booster] ilave edilebilir yada bütün sistem elektronik parçalardan oluşabilir. Elektronik kontrolün amacı; düşük hızlardaki sürüşlerde, yönlendirme çabasını azaltması ve yüksek hızlardaki sürüşlerde ise, uygun yönlendirme reaksiyon kuvvetleri için geri besleme temin etmektir. Bu amacı gerçekleştirmek için; taşıt hız sensörleri gibi tertibatlarla, sıfır hızdan başlayarak yüksek hızlardaki yönlendirme manevralarına kadar değişen koşullar altında yönlendirme servo oranındaki düzgün ve sürekli değişimleri oluşturmak için taşıt hızının tespitinde kullanılırlar. Bu taşıtlar; elektro-hidrolik, ful elektrik yada elektronik sistemlerle teçhiz edilirler. Bu sistemlerin önemi, yönlendirmek için güç gereksinimlerinde azalma ve daha yüksek performans sağlamalarıdır. 1 Arş. Gör. 2 Yüksek Teknik Öğretmen 1
Elektronik kontrollü servo yönlendirmeler için gerek duyulan temel fonksiyonlar şunlardır. 1. Düşük yönlendirme çabası, 2. Düzgün yönlendirme operasyonu, 3. Uygun yönlendirme reaksiyon kuvvetlerinin geri beslemesi, 4. Yoldan kaynaklanan tepkilerde azalma, 5. Sürüşte stabilitenin arttırılmasıdır. 1.2 ECPS NİN ÇEŞİTLERİ Elektronik kontrollü servo yönlendirme sistemleri; temel yapısına ve prensiplerine göre üçe ayrılır. Bunlar; 1. Hidrolikli Sistem, 2. Hibrit Sistem, 3. Ful Elektrikli Sistem. 1.2.1 ELEKTRONİK KONTROLLÜ HİDROLİK SİSTEM Sistem; bir doğrusal selenoid valf [linear solenoid valve], bir hız sensörü ve hidrolik sistemin hidrolik devresine yerleştirilen diğer elektronik tertibatlardan oluşur. Selenoid valfin açılması, taşıt hız sensöründen gelen sinyallere dayalı olarak kontrol edilir. Hidrolik akışkanın akışı ve basıncı, selenoid valflerin açılmasıyla denetlenir. 1.2.1.1 AKIŞKAN KONTROL METODU Bu metodda, bir selenoid valf Şekil 1.1 de gösterildiği gibi pompa deşarj portuna yerleştirilmiştir. Elektronik kontrol tertibatı, pompanın deşarj hacmini azaltmak için yüksek taşıt hızlarında selenoid valf açıklığını düzenler, böylece gerekli yönlendirme çabası arttırılmış olur. Pompa ve güç silindiri arasındaki akım direncini azaltmayla, güç gereksinmeleri azaltılır. 2
1. Motor 2. Kontrolör 3. Yağ Pompası 4. Yağ Deposu 5. Hız Sensörü 6. Selenoid Valf 7. Kramayerli Direksiyon Dişli Kutusu Şekil 1. Taşıt Yönlendirme Sisteminin Akış Kontrol Şeması[1]. Bu metot için, yönlendirme cevaplama oranı büyüklüğü ve yönlendirme reaksiyon kuvvetinin eşit bir noktada dengelenebilmesi için güç silindirine hidrolik akışkan akışı taşıt yüksek hızlarda seyrederken azalır. 1.2.1.2 SİLİNDİR BYPASS KONTROL METODU Bu metodda, bir selenoid valf ve bir bypass hattı her iki silindir arasına yerleştirilmiştir [2]. Valfin açılması, taşıt hızındaki artışlara bağlı olarak elektronik kontrol ekipmanı vasıtasıyla genişletilir, böylece güç silindirindeki hidrolik basıncı azaltılır ve yönlendirme etkisi arttırılır. Akış kontrol metodunda olduğu gibi, bu sistemde de yönlendirme cevaplama oranı ve yönlendirme reaksiyon kuvveti için eşit bir noktaya getirilebilir. 1.2.1.3 VALF KARAKTERİSTİK KONTROL METODU Bu metodda, servo silindirine sağlanan hidrolik akışkanın basıncını ve hacmini kontrol eden döner valf [control valve] mekanizmasının basınç kontrol sınırlamaları ikinci ve üçüncü parçalara ayrılır. Taşıt hız sinyalleri vasıtasıyla kontrol edilen dördüncü bir parça, ikinci ve üçüncü parça arasındaki hidrolik hattan yararlanır. Yönlendirme etkisi, destek oranını [assist ratio] değiştirmek için dördüncü portun değişken kontrolüne tatbik etmeyle kontrol edilir. 3
1.2.1.4 HİDROLİK REAKSİYONLA KUVVET KONTROL METODU Bu metodda; yönlendirme çabası [steering effort ], dönel valfe yerleştirilen hidrolik reaksiyon kuvvet mekanizması vasıtasıyla kontrol edilir. Hidrolik reaksiyon kuvvet kontrol valfi, araç hızındaki artışla uyumlu olarak hidrolik reaksiyon kuvvet odasına tatbik edilen hidrolik basınçla artar. Reaksiyon kuvvet mekanizmasının esnemezliği, doğrudan yönlendirme çabasını kontrol etmesi için değişken olarak kontrol edilir. 1.3 HİBRİT SİSTEMLER Hibrit sistemler, bir elektrik motoru vasıtasıyla tahrik edilen hidrolik servo yönlendirme pompasındaki akışkan kontrol metodundan faydalanır. Yönlendirme çabası, pompanın dönme hızınının [deşarj akışı] kontrolüyle sağlanır. Jeneratörün ve motorun tahrik verimliliği, taşıt motoru tarafından tahrik edilen hidrolik pompanın veriminden düşüktür. Pompa, taşıt motoru tarafından tahrik edilmediğinden dolayı, pompanın montaj yeri seçimi kolay olmaktadır. 1.3.1 YÖNLENDİRMEYE TEPKİ BİÇİMİ Sistem; taşıt hız sensörü, yönlendirme teker açısal hız sensörü, bir ECU ve bir hidrolik pompadan oluşur. Pompa akış hacmi, yönlendirme tekerinin açısal hızına ve taşıt hızına uyumlu olarak kontrol edilir. Pompanı deşarj akış hacmi azaltılır ve yönlendirme tepkileri taşıt yüksek hızlarda seyrederken düşer. 1.4 ELEKTRİKLİ GÜÇ YÖNLENDİRMESİ [EPS] EPS [Electric Power Steering] sistemi, elektrik motorundan yönlendirme sistemine doğrudan sağlanan güç ile yönlendirme çabası miktarını azaltan tam bir elektrik sistemidir. Bu sistem; taşıt hız sensörleri, yönlendirme sensörü [tork, açısal hız], EC, bir tahrik ünitesi [drive unit] ve bir motordan oluşur [Şekil 1.2]. Her bir sensörden gelen veriler, ECU nun parametrelerini oluşturur. Akabinde, ECU gerekli yönlendirme desteğini hesaplar. 4
1. Motor 2. Direksiyon Simidi 3. Kramayer Dişli 4. Kontrol Ünitesi 5. Güç Ünitesi 6. Bilyalı Yatak 7. Yönlendirme / Diresksiyon Sensörü 8. Direksiyon Dişli Kutusu Şekil 2. EPS Sisteminin Yapısı [3]. Kramayerli yönlendirme mekanizmasında; EPS sistemi, motor gücünü pinyon dişli miline yada kramayer miline [rack shaft] uygular. Sisteme, birkaç tane indirgeme /redüksiyon dişlisi ilave edilerek motor torku yükseltilmektedir. Sistem tahrik metoduna göre sınıflandırılabilir. Bunlar; pinyon ve kramayer takviyelidir. 1.4.1 SENSÖRLER EPS sistemi, motoru kontrol etmek için çeşitli sensörlerden faydalanır. Bu sensörler; yönlendirme tekerliğinin yönlendirme etkisini saptayan bir tork sensörü, yönlendirme tekerliğinin açısal hızını saptayan yönlendirme tekerliği açısal hız sensörü, batarya voltajını gösteren batarya sensörü, motor ve batarya akımını tanımlayan akım sensörü ve taşıt hız sensöründen oluşur. 1.4.1.1 TORK SENSÖRÜ Kramayerli yönlendirme mekanizmasındaki pinyon mili; giriş mili ve pinyon dişli olmak üzere ikiye ayrılır. Tork sensöründe, iki bölümü bağlayan bir torsiyon çubuk vardır. 5
1.4.1.2 AÇISAL HIZ SENSÖRÜ Açısal hız sensörü, giriş miline yerleştirilmiş bir dişli takımı ve bu dişli takımı tarafından hız arttırmada tahrik edilen bir doğru akım [DC] jeneratörden oluşur. Direksiyonun dönme yönü ve açısal hızı, bu DC jeneratörün dönme yönü ve açısal hızı vasıtasıyla saptanır. 1.4.2 ELEKTRONİK KONTROL ÜNİTESİ [ECU] ECU, çeşitli sensörlerden gelen sinyalleri kullanarak çalışma modlarını tanımlar. 1.4.3 GÜÇ ÜNİTESİ Güç ünitesi, motoru ileri ve geri yönde tahrik ettiren metal oksit yarı iletken alan etkili bir transistörden oluşur [Power MOSFET 4 ]. Bu güç MOSFET i; köprü devresinin güç MOSFET ini kontrol eden tahrik devresinden, akım sensöründen ve motor akımını ON ve OFF a dönüştüren bir röleden oluşur. 1.4.4 MOTOR KONTROL MODLARI Motorun eşitleme [equilavent] devresinde; termal voltajı[vm], impedans[l], direnç [R], indüklenen voltaj sabiti [k], devir [N], akım [i] ve zaman [t] arasındaki ilişki şöyle ifade edilir. Vm = L[di/dt]+R.i+k.N 1.5 GÜÇ BİRİKTİRME ETKİNLİĞİ EPS sistemi, sadece gerekli zamanda gerekli gücü sağlayan bir sistem olduğundan aşağı yukarı hiçbir güç kaybı olmaz. Bundan dolayı sistem aşırı derecede yüksek yakıt verimliliğine sahiptir. Tablo 1.1 de hidrolik sistemle EPS sistemi farklı sürüş modlarında yakıt tüketimi açısından karşılaştırılmıştır. 6
Tablo 1.1 Yakıt Tüketiminin Karşılaştırılması [4]. Mode EPS [mpg] Hidrolik Takviyeli Yakıt Tüketimi [mpg] İlerletme Oranı [%] Yönlendirme [mpg] Şehir içi 20.51 20.01 0.80 2.50 Otobüs 28.88 28.18 1.14 2.52 2. SONUÇ VE DEĞERLENDİRMELER Taşıtlardan; daha yüksek hız, daha yüksek kalite ve daha az güç gereksinmesi talepleri sürekli olarak artmaktadır. Bu talepleri karşılamak için, araştırma ve geliştirme çalışmaları elektronik kontrollü sistemleri zorunlu kılmaktadır. Önerilen sistemler; fuzzy lojik ve güç takviye sisteminin koordinasyonudur. Bu sistem; sürücü tepkilerine göre, trafik koşullarına bağlı olarak takviye oranını ayarlar ve hassas bir yönlendirme sunar. Yönlendirme reaksiyon kuvveti; taşıtın davranışına ve sürücüye göre besleme sağlayan aktif reaksiyon takviyeli yönlendirmedir [active reaction power steering]. Böyle sistemler; sürücüye ve taşıtın çalışma koşullarına [yanal ivmelenme, sapma hızı ve yönlendirme reaksiyon kuvvetleri gibi ] ilişkin bilgileri kullanır. REFERANSLAR [1] Steering, chap.8, Handbook of Society of Automotive Engineers of Japan vol.2, Society of Automotive Engineers of Japan, Inc., 1991. [2] JURGEN, R. K., Automotive Electronics Handbook, Second Edition, USA, 1999. [3] Acura NSX Service Manuel, 1991. [4] YASUO, S., et al. Development of Electric Power Steering, SAE Paper 910014. 4 MOSFET [Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor]. Metal oksit yarıiletken alan etkili transistor. 7