Wśród stosowanych obecnie w samochodach osobowych elektromechanicznych przekładni kierowniczych uwagę zwracają dwa popularne rozwiązania: przekładnie kierownicze typu Belt Drive i przekładnie typu Dual Pinion. Oprócz realizacji funkcji elektrycznego wspomagania ich konstrukcja umożliwia aktywną korektę toru jazdy, dzięki czemu są one wykorzystywane w systemach ADAS, jak i zaawansowanych układach dynamiki jazdy (np. systemy ESP/ESC i pochodnych).

Przekładnia Belt Drive (zdjęcie nr 1) wykorzystuje silnik elektryczny, który za pośrednictwem paska zębatego napędza toczną przekładnię śrubową. Siła wspomagania jest dobierana przez elektroniczny sterownik na podstawie, takich parametrów jak: prędkości pojazdu, prędkości obrotowej wału korbowego oraz kąta skrętu i momentu obrotowego koła kierownicy. Wymiana danych z jednostką napędową, układami dynamiki jazdy i automatyczną skrzynią biegów realizowana jest za pośrednictwem szybkiej magistrali CAN napędu.

W przekładni typu Dual Pinion (zdjęcie nr 2) zastosowano dwa oddzielne zębniki współpracujące z jedną zębatką. Pierwszy z nich przenosi ruch koła kierownicy, natomiast drugi, napędzany silnikiem elektrycznym poprzez przekładnię ślimakową, odpowiada bezpośrednio za wspomaganie układu kierowniczego. Sterownik precyzyjnie reguluje siłę wspomagania, a dzięki komunikacji CAN może również realizować korektę toru jazdy i funkcję aktywnego prostowania kół. Stałe mechaniczne połączenie kierownicy z zębnikiem głównym pozwala zachować możliwość kierowania pojazdem nawet w przypadku awarii elektroniki i wyłączenia funkcji wspomagania.

Obydwa rodzaje elektromechanicznych przekładni opisywanych w artykule wyposażono w czujniki monitorujące ich temperaturę. Pozwoliło to na zaadoptowanie funkcji ochronnych i częściowe lub całkowite ograniczenie siły wspomagania w sytuacji, gdy sterownik przekładni zarejestruje przekroczenie progu temperatury wynoszącego 100°C . Dodatkowo każda z przekładni posiada czujnik momentu koła kierownicy, którego zadaniem jest pomiar siły użytej przez kierowcę do obrotu kierownicy.

O wystąpieniu nieprawidłowości w działaniu elektromechanicznej przekładni kierowniczej kierowca informowany jest za pomocą kontrolek ostrzegawczych, jak i opcjonalnych komunikatów tekstowych. W zależności od rodzaju wykrytej usterki kontrolka może zapalić się w kolorze żółtym (zdjęcie nr 3) lub czerwonym (zdjęcie nr 4). Rozróżnienie to pozwala określić, czy awaria powoduje jedynie ograniczenie funkcjonalności układu, czy też może doprowadzić do całkowitego wyłączenia elektrycznego wspomagania układu kierowniczego.

Za rozpoznawanie usterek odpowiada sterownik przekładni, który nadzoruje pracę czujników oraz elementów wykonawczych. Faza samodiagnostyki przekładni odbywa się już w momencie włączenia zapłonu. Wówczas uruchamiany jest test elektronicznego układu sterowania, którego przeprowadzenie zajmuje zazwyczaj od 2 do 4 sekund. Jeżeli podczas tej procedury nie zostaną wykryte nieprawidłowości, kontrolka ostrzegawcza gaśnie. Należy jednak podkreślić, iż procedura samodiagnozy nie pozwoli na zidentyfikowanie typowo mechanicznego uszkodzenia przekładni.

Żółta kontrolka oznacza ograniczenie możliwości działania układu kierowniczego, a także funkcji systemów wspomagających kierowcę. Jednakże jej zapalenie nie musi przy tym świadczyć o uszkodzeniu samego mechanizmu przekładni. Powodem jej aktywacji może być na przykład wzrost temperatury wewnątrz przekładni (T>100C) lub obniżenie napięcia instalacji elektrycznej pojazdu do wartości poniżej 9 V.

Zapalenie się czerwonej kontrolki towarzyszy poważnym awariom, których symptomem może być utrata siły elektrycznego wspomagania. Nie oznacza to jednak całkowitego unieruchomienia układu kierowniczego. Konstrukcja przekładni umożliwia bowiem dalsze kierowanie pojazdem również wtedy, gdy funkcja wspomagania została wyłączona.

Do usterek mogących spowodować zapalenie się czerwonej kontrolki należą między innymi uszkodzenia związane z działaniem silnika elektrycznego wspomagania, zakłócenia w komunikacji magistrali CAN oraz zaniki sygnału z czujnika kąta skrętu koła kierownicy. W ostatnim przypadku konsekwencje awarii mogą dotyczyć nie tylko samego układu kierowniczego. Problemy związane z czujnikiem kąta skrętu może spowodować równoczesne zapalenie się kontrolek sygnalizujących awarię układu kierowniczego, jak i systemu ESP.

Podstawą diagnostyki elektromechanicznych przekładni kierowniczych jest odczyt kodów usterek za pośrednictwem testera diagnostycznego. Ten proces pozwala przede wszystkim sprawdzić, czy sterownik przekładni komunikuje się z urządzeniem diagnostycznym, a następnie ustalić, w którym obszarze układu zostały zarejestrowane nieprawidłowości. Zaawansowane testery umożliwiają ponadto obserwację parametrów pracy poszczególnych podzespołów oraz realizację procedur kodowania i kalibracji przekładni.

Jedną z przyczyn nieprawidłowego działania przekładni w obszarze usterek elektrycznych mogą być zakłócenia napięcia zasilania lub problemy z obwodem „masy” przekładni. Jeżeli odczytane kody usterek wskazują na takie nieprawidłowości, dalszą diagnostykę należy skierować na tor kontroli instalacji elektrycznej pojazdu.

Przy włączonym zapłonie i wyłączonym silniku napięcie spoczynkowe powinno wynosić co najmniej 12,2 V. Po uruchomieniu jednostki napędowej jego wartość powinna mieścić się w przedziale od 13,5 do 14,8 V. Rzeczywiste napięcie zależy jednak od stopnia naładowania akumulatora i aktualnego obciążenia instalacji elektrycznej.

Podczas kontroli zasilania przekładni należy posługiwać się schematem instalacji elektrycznej pojazdu. Pomiary wykonane bezpośrednio na stykach złącz zasilających pozwalają wykryć spadki napięcia spowodowane nadmierną rezystancją przewodów, ich przetarciem lub przerwaniem ciągłości danego obwodu. Sprawdzenia wymagają również bezpieczniki, przekaźniki, przewody masowe oraz przewody doprowadzające sygnały sterujące.

Do pomiarów napięcia zasilającego i kontroli połączeń masowych wystarczy dobrej klasy multimetr. Jeżeli natomiast diagnostyka wymaga oceny przebiegów sygnałów generowanych przez czujniki przekładni, to do weryfikacji tego rodzaju sygnałów należy wykorzystać oscyloskop.

Prawidłowe działanie układu sterowania przekładnią kierowniczą wymaga stabilnej komunikacji z pozostałymi sterownikami pojazdu. Za pośrednictwem magistrali CAN napędu sterownik przekładni wymienia dane m.in. ze sterownikami układów dynamiki jazdy i systemów ADAS.

Ze względu na wysoki priorytet przesyłanych informacji magistrala napędu wykorzystuje szybką transmisję CAN High Speed, której prędkość dochodzi do 1 Mbit/s. Umożliwia to wymianę informacji praktycznie w czasie rzeczywistym. W przypadku wystąpienia kodów usterek związanych z nieprawidłową komunikacją należy przeanalizować architekturę magistrali na podstawie schematu elektrycznego pojazdu. Pozwala to określić przebieg przewodów oraz zlokalizować miejsca, w których mogło dojść do uszkodzenia instalacji.

Do najczęstszych przyczyn zakłóceń transmisji należą przetarcia skrętki CAN, zwarcia, przerwanie ciągłości jednego z przewodów oraz nieprawidłowy kontakt w złączach wielowtykowych. Tego rodzaju uszkodzenia mogą powstawać wskutek drgań, wstrząsów i naprężeń instalacji podczas codziennej eksploatacji samochodu. Ich źródłem bywają również nieprawidłowo przeprowadzone naprawy blacharsko-lakiernicze.

Schemat wymiany danych pomiędzy sterownikiem przekładni kierowniczej a pozostałymi sterownikami pojazdu realizowany za pośrednictwem magistrali CAN napędu przedstawia zdjęcie nr 5.

Weryfikację sygnałów magistrali należy przeprowadzić za pomocą oscyloskopu (zdjęcie nr 6). Jednoczesna obserwacja przebiegów CAN High i CAN Low pozwala ocenić ich wzajemną symetrię, poziomy napięć oraz występowanie ewentualnych zakłóceń.

W stanie spoczynku napięcie na obu przewodach powinno wynosić 2,5 V. Podczas transmisji, w stanie dominującym, napięcie CAN High wzrasta o 1 V, osiągając 3,5 V, natomiast napięcie CAN Low obniża się o 1 V, do wartości 1,5 V. Prawidłowa transmisja charakteryzuje się zatem symetrycznymi zmianami napięcia obu sygnałów. Odchylenia od tych wartości lub zniekształcenia przebiegów stanowią podstawę do dalszego poszukiwania nieprawidłowości w instalacji magistrali CAN.

Elektromechaniczne przekładnie kierownicze narażone są również w dużym stopniu na uszkodzenia mechaniczne. Ich przyczyną mogą być nadmierne obciążenia powstające podczas najechania na przeszkodę przy dużej prędkości, silnego uderzenia kołem w krawężnik lub następstwa kolizji drogowej. W takich sytuacjach może dojść do odkształcenia lub trwałego zniszczenia elementów mechanizmu przekładni, a objawy samego uszkodzenia mogą być widoczne dopiero po jakimś czasie.

Drugą istotną przyczyną awarii jest utrata szczelności osłon przeciwpyłowych, szczególnie wskutek ich uszkodzenia lub nieprawidłowego montażu podczas napraw układu kierowniczego. Przedostające się do wnętrza przekładni woda i zanieczyszczenia sprzyjają korozji oraz przyspieszonemu zużyciu współpracujących elementów, co z czasem może doprowadzić do zwiększenia oporów ruchu, a nawet zablokowania mechanizmu (zdjęcie nr 7).

Podczas diagnostyki elektromechanicznych przekładni kierowniczych należy zwrócić uwagę na możliwość występowania problemów dotyczących oprogramowania sterownika. W niektórych przypadkach przywrócenie właściwego funkcjonowania wymaga aktualizacji oprogramowania do wersji zalecanej przez producenta pojazdu.

Istotne znaczenie ma także prawidłowe kodowanie sterownika przekładni, szczególnie po jej wymianie. Błędne zakodowanie lub pominięcie wymaganej procedury może powodować nie tylko nieprawidłowe funkcjonowanie układu wspomagania, ale również zakłócić działanie układów dynamiki jazdy oraz systemów ADAS.