ELEKTRISCHE STUURSYSTEMEN ZIJN DE TOEKOMST
Voor veiligheid bestaat er immers geen aftermarket
De best verkopende auto's uit elk segment worden met full elektrische stuurbekrachtiging, of EPS, uitgerust. Ten bewijze enkele sprekende cijfers: in 2014 was EPS goed voor 26 miljard dollar wereldwijd, waarmee de resultaten voor het hydraulisch sturen op OE-niveau werden geëvenaard. Tegen 2020 zal de inhaalbeweging ook op aftermarketniveau een feit zijn en verwacht men een wereldwijde omzet rond de 50 miljard dollar. Kortom, de toekomst voor stuursystemen in commerciële voertuigen heet EPS, of Electrically Powered Steering, en daar zijn voldoende argumenten voor. Naast de gewichts- en plaatsbesparing zijn de afwezigheid van hydrauliekolie, het lagere brandstofverbruik en de geringere assemblagetijd, meer dan doorslaggevend om de glorieperiode van de hydraulische sturing langzaam maar zeker achter ons te laten.
MECHANISCHE OVERBRENGING
Wanneer we het vandaag over stuursystemen hebben, bedoelen we onvermijdelijk tevens de stuurbekrachtiging. Stuurbekrachtigingssystemen hebben tot doel de op het stuur uitgeoefende draaikracht te vermenigvuldigen. Het principe van krachtversterking op de stuurinrichting is zo oud als de auto zelf, nl. door de directe hefboomwerking van het stuurwiel op de kolom. Het draaimoment wordt er, voor een zelfde draaikracht, vooral door de stuurdiameter bepaald. De eerste stuurwielen zijn daarom royaal gedimensioneerd voor extra stuurcomfort. De basis van de stuurinrichting is het mechanische overbrengingsprincipe van tandlat en rondsel, waarbij de draaiende beweging van de stuurkolom in een lineaire beweging via de spoorstangen richting driehoeken wordt omgezet. Tot vóór de commerciële intrede van de hydraulische stuurbekrachtiging behelsde het stuurhuis wereldwijd ook niet meer dan dat. Een belangrijk nadeel was de harde sturing bij lage snelheden en manoeuvres. Vandaag vinden we de louter mechanische stuurhuizen vooral in lichtere voertuigen (700-750 kg) terug, omdat de wrijvingscomponent met het wegdek er
mede door een smaller bandenprofiel
sowieso laag kan blijven, met een lichtere sturing als gevolg. Een voordeel van onbekrachtigd sturen is het unieke baangevoel; zo belangrijk in het racegebeuren, maar ook in de verbondenheid tussen bestuurder en mechaniek, vooral dan wat de functie van het stuursysteem zélf aangaat. Alle trillingen, ook de ongewone, verplaatsen zich ongedempt richting stuurwiel, waardoor de bestuurder vroegtijdig op echte problemen kan anticiperen. Vrijwel alle problemen aan een klassiek stuurhuis uiten zich door opvallend kraken, een verminderd stuureffect (versleten rondsel?), en voor de monteur: uittredend vet.
WISSELSTUKKEN / AFTERMARKET / REVISIE
Om begrijpelijke redenen vinden steeds meer garages de weg naar gereviseerde ersatzonderdelen voor stuurinrichtingen, zoals hydrauliekpompen en stuurhuizen. Samen met de universeelmarkt, zoals op het vlak van onder andere stofhoezen, een betaalbare oplossing voor anders dure problemen. De revisiemarkt wordt gedomineerd door enkele zeer betrouwbare, gespecialiseerde spelers die hun revisiestukken correct met een certificaat en montage-instructies afleveren. Zolang de toegestuurde stukken maar voldoen aan enkele basiscriteria voor aanvaarding, zoals toegelaten schadeaspecten, de aanwezigheid van beschermingsattributen etc. (het best tijdig navraag doen bij het revisiebedrijf), is er zelden een probleem. De onderdelen die op die manier weer op de markt komen, beantwoorden aan alle geldende veiligheidsvoorschriften. Uiteraard blijft het de verantwoordelijkheid van de gekwalificeerde monteur om strikt de meegeleverde handleidingen te volgen.
HYDRAULISCHE STUURBEKRACHTIGING
Werkingsprincipe
Elke vorm van stuurbekrachtiging ondersteunt de basisstuurinrichting van tandheugel + rondsel door op een deel van het stuursysteem in te grijpen en daar bijkomende kracht uit te oefenen. Bij een hydraulische sturing is dit steeds rechtstreeks op de as van de tandheugel. Deze werd uitgebreid met een hydraulische zuiger + cilinder die de tandlatas omhult. De servowerking wordt gerealiseerd door hydrauliekdruk op een van beide cilinderhelften los te laten. Het stuurhuis werd daartoe uitgerust met een rotatief regelventiel dat de oliedruk, volgens de verdraaiing op de stuurkolom, naar een van beide cilindercompartimenten afleidt. Voor de oliedruk, die snelheidsafhankelijk gestuurd wordt, zorgt een hydrauliekpomp, die in een gesloten circuit constant hydraulische olie vanuit een reservoir door het stuurhuis doet circuleren. De pomp wordt aangedreven met een riemaandrijving direct op de krukas, of autonoom via een elektromotor. In het laatste geval spreekt men dan van een elektrisch-hydraulisch systeem.
Voordelen
Hydraulische servo is de oudste vorm van stuurbekrachtiging en staat bekend om zijn kracht, prestaties en betrouwbaarheid. Hij is bovendien op elke mogelijke schaal, van minibus tot zwaar vrachtvervoer, te concipiëren, wat nog van geen enkel ander systeem kan worden gezegd.
Nadelen
De belangrijkste nadelen van een servo-installatie zijn gewicht, volume, energieverbruik en de aanwezigheid van het oliecircuit.
Voor elk probleem een oplossing
De hydraulische stuurbekrachtiging wordt in Europa al sinds de jaren 80 van vorige eeuw actief in autovoertuigen geïnstalleerd. De onderstaande tabel linkt symptomen aan mogelijke defecten en vat drie decennia aan kennis inzake 'problem solving' samen. Combineer gezond verstand met eliminatie, en dit zou u telkens weer naar de oplossing moeten leiden.
AANDACHTSPUNT: BALL JOINTS
Kwaliteitscontrole
Ball joints worden tegenwoordig volgens een streng gecontroleerd proces gefabriceerd (met getemperd staal), afgewerkt (polijsten) en getest op onder andere de oppervlakteruwheid. Toch valt en staat de functionaliteit ervan met de beschermende rubberen mof errond, die enerzijds het smeermiddel binnen, maar vooral water en stofdeeltjes buiten het kogelgewricht houdt. De fabrikant gaat er daarom zeer ver in, om de efficiëntie van zijn stofhoezen te beproeven. Een geijkte langetermijntest bestaat er onder andere in om de stukken belast en in beweging aan een combinatie van temperatuur, vochtigheid en een speciaal, agressief zandmengsel ('Turkish grid' genoemd), te onderwerpen.
Het kraakgeluid in de sturing
Het herkenbare fenomeen is de voorbode van veel meer onheil en leidt bij een keuring onverbiddelijk tot een rode kaart. Voor zover een falend stuurhuis niet aan de basis ligt, of er geen speling zit op de kruiskoppeling stuurstang-stuurhuis (minder courant), is ongewenste speling door corrosie op fusee- of stuurkogels in vele gevallen boosdoener nummer 1. Men kan dit eenvoudig simuleren door kort met de spoorstangen heen en weer te bewegen (u hoort het fameuze 'krak'-geluid bij het bereiken van de eindelooppositie). Een bijkomende inspectie van de stofhoezen moet dan verder klaarheid brengen: wanneer deze scheuren of gaten vertonen, krijgen de elementen vrij spel op het binnenwerk van het kogelgewricht en de fuseepen. Dit leidt onvermijdelijk tot corrosie, ook van het belangrijke fuseestuk zelf. Voorafgaand aan de vervanging van bv. een tie rod end, dient ook dit te worden opgezuiverd en licht geolied.
Conclusie
De staat van de stofhoezen is van primordiaal belang voor de levensduur van elk stuursysteem en vraagt daarom extra zorg van de monteur. Bij een vervanging of onderhoud is de basis zonder meer het correct bestuderen van door de fabrikant bijgeleverde instructies en het gebruik van aangepast gereedschap. Controleer hierbij zeker ook het serienummer van het ersatzonderdeel en verifieer of de stukken dimensionaal identiek zijn, zo voorkomt u nare verrassingen bij de montage of zelfs de uitlijning! Voor de demontage van ball joints is de stuurkogeltrekker het juiste gereedschap.
ELEKTRISCHE STUURBEKRACHTIGING
Werkingsprincipe
In tegenstelling tot hydraulische servo kan EPS op meerdere plaatsen binnen de stuurinrichting worden ingezet. Een krachtige PMAC-elektromotor geeft, onafhankelijk gestuurd door een separate ECU, een stuurbekrachtiging wanneer hij daar van de draaihoeksensor via de CANbus-bedrading een impuls voor krijgt. Die wordt kwantitatief bepaald op basis van de gecombineerde waarden van de hoek + draaisnelheid die de draaihoeksensor registreert. Een tweede sensor, die de wielbewegingen registreert, voedt de ECU constant met back-upinformatie bij elke stuurbeweging. Het systeem is, dankzij de volledig elektronische sturing, perfect geschikt om, los van de stuurkolominput, ook automatische correcties uit te voeren en wordt dankbaar ingezet bij bijvoorbeeld de laneassisttechnologie.
Voordelen
Een belangrijk voordeel van EPS is de energiegunstige operatie: er is enkel elektriciteitsverbruik wanneer er daadwerkelijk stuurbewegingen plaatsvinden. Voorzichtige berekeningen suggereren hierdoor brandstofbesparingen tot 0.3 l/100 km. De technologie is bovendien zeer compact en eenvoudig in bedrading, en voegt weinig gewicht toe aan het voertuig.
Nadelen
Het veruit belangrijkste ongemak is de bovengrens wat de conceptie betreft: met de huidige 12V-autotechnologie blijft EPS, ook in zijn krachtigste versie, bij een voorasbelasting boven de 1.200 kg nog even sciencefiction.
De varianten
EPS-systemen worden opgedeeld volgens de plaats waar de bekrachtiging in de stuurinrichting ingrijpt. Men onderscheidt drie basisconfiguraties:Column drive EPSHierbij grijpt de elektromotor via een stil, kogelgelagerd wormwiel direct op de stuurkolom in. Dit maakt dat het gehele systeem enerzijds vanuit het dashboard bereikbaar is, en anderzijds bij een gemiddeld hogere temperatuur kan opereren dan het equivalent onder de motorkap, waardoor de vereisten naar bijvoorbeeld borgingen toe minder streng uitvallen. Column drive EPS is geschikt voor eerder beperkte voorasbelastingen tot ca. 650 kg. Omgerekend naar de nettokracht op de tandheugel, komt dit neer op 6 kN.Pinion drive EPSDe bekrachtiging situeert zich rechtstreeks op het rondsel, waardoor PD-EPS in wagens met voorasbelastingen tot ongeveer 850 kg in aanmerking komt. De tandheugel zelf krijgt dan tot 8 kN kracht.Direct rack driveHet meest krachtige systeem kan voorasbelastingen tot 1.300 kg aan (= 10 kN op de tandlat), wat het geschikt maakt voor de ruimere middenklasser. De bekrachtiging grijpt via het wormwiel direct op de tandlat in voor een maximale efficiëntie.
Daar zijn de bits & bytes weer
EPS-systemen onderscheiden zich door hun verregaande programmeerbaarheid. De bekrachtigingskarakteristiek is via de programmatie in staat om met zowat elke invloedsfactor (bestuurder, bandentype, etc.) rekening te houden. Het gros van de pannes aan EPS-systemen is echter ook gerelateerd aan hetzij het besturingssysteem, hetzij de communicatie. Wat de EPS-modules zélf betreft, die worden meestal als totaalpakket aangeboden; doorgaans is hooguit de elektromotor extern bereikbaar voor een vervanging.
Het bilan
Het onderhoud en de diagnose van EPS-systemen houden voor de monteur in hoofdzaak een grondige kennis van de bijbehorende diagnosetool, het specifieke programmeerprotocol en basiselektronica in. En dat laatste impliceert dat men vóór alles de accu, de alternator en de aardingspunten moet controleren.
Met dank aan ERA Benelux en SIDEM
