היגוי חשמלי במשאיות כבדות

הטרנספורמציה של תחום הרכב המסחרי לתובלה חשמלית, נמצאת בעיצומה ומונעת על ידי שני גורמים מרכזיים: הצורך להפחית פליטות והביקוש לניידות חשמלית ולנהיגה אוטונומית. בשני המקרים, אחת הטכנולוגיות המרכזיות היא היגוי חשמלי לחלוטין, המיועד לייצור סדרתי בשנת 2025. קבוצת קנור-ברמסה מתגאה בהיותה הראשונה שתתקין אותו בצי של יצרנית משאיות מובילה.

איך עובד הגה כוח חשמלי של קנור-ברמסה, ומה הם סיכויי השוק שלו?

כל מי שאי פעם נאבק כדי להחנות חיפושית פולקסווגן ישנה יודע עד כמה הגה כוח שימושי. כמובן, אותם ימים של מתיחת שרירים כבר מזמן מאחורינו. וכמו שחיפושית פולקסווגן נעלמה בהדרגה מהרחובות, גם השימוש במנוע הבעירה הפנימית (IC) יפחת, ובסופו של דבר הוא ייעלם. האם גם הגה כוח ייעלם? בוודאי שלא, אבל מערכות ההיגוי ברכבים מסחריים חשמליים מודרניים שונות מאוד מאלה שהתרגלנו אליהן בעשורים האחרונים. הגה כוח קונבנציונלי מופעל ישירות על ידי מנוע הרכב, וזו אינה אופציה לרכבים חשמליים מסחריים.

הפתרון קיבל את השם 'Electric Power Steering', ובקיצור EPS. השם מוכר כמובן מתחום כלי הרכב הקלים, אלא שבמשאיות כבדות המציאות סבוכה הרבה יותר. מדובר בכוחות ובמומנטים הרבה יותר גבוהים, ולא פחות חשוב: עם אפס סיכוי (כמעט) לכשל בהיגוי. קבוצת קנור-ברמסה היא כאמור הספקית הראשונה בתחום הרכב המסחרי שהוציאה את מערכת הגה הכוח החשמלית הזו לשוק, וכל הענף כבר מצפה לה.

מאחורי הדרישה למערכת זו עומד המעבר לניידות חשמלית. להסכם הירוק של האיחוד האירופי יש תפקיד חשוב במיוחד באירופה. הנציבות האירופית הציעה לאחרונה, כי רמות פליטת הפחמן לכל כלי הרכב המסחריים הכבדים החדשים יהיו מופחתות ב-45 אחוז עד 2030 בהשוואה לשנת 2019, ב-65 אחוז עד 2035 וב-90 אחוז - יעד שאפתני - עד 2040.

ל-EPS יש יתרונות אמיתיים הנוגעים לעמידה ביעדי פליטת הפחמן. בכל פעם שהאיחוד האירופי מעריך את רמות המזהמים הנפלטים מכלי רכב מסחריים, EPS צובר הרבה יותר נקודות מכל מערכת אחרת. לאנרגיה שנחסכת על ידי EPS יש השפעה חיובית על כלי רכב חשמליים, המתבטאת בהגדלת טווח הנסיעה. הסיבה היא כמות האנרגיה העצומה שנדרשה להפעיל את המערכת ההידראולית של המשאית הקונבנציונלית, שתפקידה להבטיח שבכל רגע יהיו לחצים הידראוליים גבוהים זמינים לתפעול מערכת ההיגוי. חלק קטן מהמערכת ההידראולית אומנם נותר, אם כי תפקידיו הצטמצמו מאוד.

הגה כוח חשמלי

ההיגוי החשמלי, EPS, לא רק עוזר להפחית פליטות בעקיפין בהיותו טכנולוגיה שמאפשרת ניידות חשמלית. הוא מתאים גם לשימוש בכלי רכב מסחריים המונעים באמצעות מנועי דיזל, שם הוא מפחית באופן שיטתי את תצרוכת הדלק. פיטר היימברוק, מנהל חטיבת מערכות ההיגוי בקנור-ברמסה, מסביר: "במערכת ההיגוי של רכב מסחרי רגיל, משאבה הידראולית נפרדת מייצרת את האנרגיה שעוזרת לנהג לנווט. כדי לספק זרימה קבועה של נוזל הידראולי דרך מערכת ההיגוי, משאבה זו מופעלת באופן קבוע על ידי מנוע הבעירה הפנימית. הנוזל משמש להעברת הלחץ שעוזר לנהג להניע את ההגה. אבל ב-EPS החדש, מנוע חשמלי מובנה מייצר את האנרגיה הדרושה. המנוע החשמלי מפעיל גם תיבת הילוכים הידראולית. היתרון העיקרי של הגישה הוא שהמנוע אינו חייב לשמור על זרימה קבועה של שמן דרך המערכת. המנוע החשמלי המניע את ההיגוי המסייע מופעל רק כאשר הנהג מזיז את ההגה, בהתאם לעקרון 'כוח על פי דרישה'. בשאר הזמן, כאשר המשאית נוסעת בקו ישר לאורך כביש מהיר למשל, EPS אינו משתמש באנרגיה כלל, בניגוד למשאבה ההידראולית במערכת קונבנציונלית."

הפחתה ממשית בתצרוכת הדלק

אפשר לכמת את החיסכון. במבחנים שעשו מהנדסי קנור-ברמזה נמצא שתצרוכת הדלק שמובילה מערכת ההיגוי יורדת מ-0.22 ליטר ל-100 ק"מ בשימוש במערכת הידראולית קונבנציונלית ל-0.06 ליטר בלבד ל-100 ק"מ בשימוש ב-EPS של החברה, כלומר הפחתה בשיעור של 73 אחוזים בתצרוכת הדלק. הרגולטורים באירופה מרוצים.

למערכת הגה הכוח החשמלית של קנור-ברמסה יש יתרונות נוספים להציע מבחינת חיסכון. היתרון המרכזי הנוסף הוא ש-EPS היא פתרון עצמאי. אין צורך ברכיבים חיצוניים כגון משאבות הידראוליות, צינורות, שסתומים או מכלי שמן. כל אלה נוטים להתקלקל או לנזול, ותיקונם יקר. היעדרם של כל הרכיבים האלו גם תורם ל-EPS להשתלב בפחות מקום, והיא קלה יותר להרכבה ולתחזוקה. בעבור יצרנים ומפעילים של רכב מסחרי, המשמעות היא עלויות נמוכות יותר בכל אספקט.

הידראוליקה חכמה יותר

ישנן סיבות טובות לבחירה של המהנדסים של החברה לשלב הידראוליקה במערכת EPS כאשר התבקשו להגדיל את כוחו של המנוע החשמלי לרמות הנדרשות להיגוי מסייע. אלמלא הפתרון הזה, החלופה הייתה תיבת הילוכים מכנית. אבל בניית תיבת היגוי עמידה שאינה יוצרת רטט או תנודות, מאתגרת מאוד. בכל מקרה, זה לא יהיה מספיק מודולרי כדי להשתלב בחלל הפנוי בתא המנוע.

ההחלטה לבחור בתיבת הילוכים הידראולית התקבלה בשנת 2021, לאחר ששתי האפשרויות נבדקו באופן אינטנסיבי. שלב הפיתוח המקדים התחיל עוד ב-2017, בהובלת צוות ההיגוי במיתקן 'Schwieberdingen', בתמיכת צוותים בדיסלדורף ובבודפשט. ההחלטה על הידראוליקה התבררה כנכונה. בעקבות בדיקות דגימה (B-sample) מוצלחות ועם שלבי דגימה חדשים קרובים (כולל ניסויי חורף), השקת הייצור הסדרתי מתוכננת לשנת 2025.

מוכן לנהיגה אוטונומית

עד כמה שמערכת ההיגוי EPS עשויה להיות מועילה לניידות חשמלית וליעילות אנרגטית, יהיה מוטעה להאמין שאין לה יתרונות אחרים. ל-EPS יש תפקיד מפתח בתמיכה במגמה נוספת בענף הרכב המסחרי: נהיגה אוטומטית. כך לדוגמה, עם EPS אפשר לשלוט בהיגוי ללא תלות בנהג, על ידי פונקציה אקטיבית של שמירה על הנתיב למשל.

הדבר אפשרי כבר היום הודות ל'היגוי בעל שכבת מומנט' - Torque Overlay Steering (TOS). מערכת היגוי שבדרך כלל מסתמכת רק על הידראוליקה, ניתנת לסיוע נוסף כאשר נדרש על ידי מערכת עזר המחזקת חשמלית ("מכסה") את תנועת ההיגוי. עם זאת כעת EPS מתקדמת צעד נוסף מכיוון שהיא כבר לא מסתמכת על מערכות חיצוניות אחרות בעבור שכבת מומנט. אפשר לשלוט בה ישירות, ובו בזמן להביא את כל היתרונות שמאפשרים להפחית פליטות מזהמות.

מובן מאליו ש-EPS מוכנה גם לצעד הגדול האחרון באבולוציה של נהיגה אוטונומית: טכנולוגיית steer-by-wire שבה ההיגוי מתבצע באופן חשמלי לחלוטין על ידי פקודות ממוחשבות.

למרות החששות המובנים, במערכת steer-by-wire, בניגוד למערכות ההיגוי שבהן משתמשים עד היום, ההגה אינו מחובר מכנית לציר ההיגוי דרך עמוד ההגה. במקום זאת, גלגל ההגה 'מתרגם' חשמלית את תנועות ההיגוי של הנהג ומשדר אותן לציר כאותות חשמליים. שם מפעילים כגון EPS מבצעים את התנועה הפיזית. התוצאה בפועל עשויה להיות מפתיעה מאוד. עם מערכת ההיגוי הזו לא צריך באמת הגה. היה אפשר לכוון את הרכב באמצעות אלגוריתם בלי לנגוע בהגה כלל.

כשמבינים את המשמעות של EPS מהדור החדש, לא צריך קישור מכני קשיח בין ההגה לבין הסרן שמבצע את ההיגוי. כל האותות החשמליים יכולים להיות מועברים דרך חוטים. במילים אחרות, כל מערכת ההיגוי המכנית הקונבנציונלית משתנה.

מי שנתקל באפשרות הזאת בפעם הראשונה, עלול להרגיש אי נוחות מסוימת. מה קורה אם מערכת הבקרה האלקטרונית מתקלקלת או נכשלת? הנהג כבר אינו יכול להתערב. כדי ליישם בבטחה את גישת ההיגוי באמצעות כבלים (steer-by-wire), למערכת ההיגוי חייבת להיות אפשרויות חירום, כלומר תת-מערכות שדרוכות לפעול ולהיכנס לפעולה אם המערכת הראשית נכשלת. בעגה המקצועית, techspeak, הידוע בתור יתירות.

בקנור-ברמסה מנסים להרגיע בנושא. EPS של החברה מספק את כל היתירות הנדרשת. מותקנים מנוע חשמלי מיותר ומערכת בקרה אלקטרונית מיותרת, שניהם משוכפלים בחומרה ובתוכנה כדי שיהיו שני מיקרו-בקרים. מערכת אחת יכולה להשתלט אם השנייה נכשלת.

האם EPS ייהפך לסטנדרט בתובלה הכבדה?

הגה כוח חשמלי תומך בשני הפיתוחים החשובים ביותר בתעשיית הרכב המסחרי ומאפשר אותם: חשמול ונהיגה אוטונומית. כאן עולה שאלה מעניינת: האם הוא ייהפך לסטנדרט בתעשייה?

לפביאן סטמבראו, סגן נשיא חטיבת ההיגוי העולמי בקנור-ברמסה, יש תשובה אופטימית: "אני בטוח ש-EPS יזכה בנתח שוק גדול, ובטווח הבינוני ייהפך לסטנדרט בחלקים גדולים בענף הרכב המסחרי. עם זאת בתחומים מסוימים, אין ספק שעדיין יהיה הגיוני להשתמש במערכות היגוי קונבנציונליות."

גם במקרה זה עולה שאלת היתירות. בנוגע להיגוי באמצעות כבלים, אחד הדברים שהחברה בוחנת כעת בפרויקט טרום-פיתוח הוא איזו יתירות תידרש בכל המערכת, כולל מערכת החשמל המשולבת, כדי לספק מערכת היגוי בטוחה ובעלת גיבוי תפעולי, על איזו טכנולוגיה יתבסס הגיבוי ומה יהיו כמותו ומחירו.

היגוי ServoE של בוש

גם לקבוצת בוש יש פתרונות חדשניים לתחום התובלה הכבדה. חטיבת מערכות ההיגוי חשפה לאחרונה את Servocom, מערכת הגה כוח המבוססת על ball-and-nut power steering system. למערכת ההיגוי החדשנית יעילות ותמיכה מוכחות. מערכת ההיגוי האלקטרו-הידראולית Servotwin היא שילוב חדשני של מערכת היגוי מכנית עם יחידת הנעה ובקרה אלקטרונית. בבוש טוענים שהסידור הזה מאפשר לבצע אופטימיזציה נוספת של תחושת ההיגוי כאשר מובאים בחשבון פרמטרים אחרים כגון מהירות או עומס. הרכיבים של המערכת כוללים גם משאבות הגה כוח בצריכה נמוכה, הילוכים זוויתיים בעלי שחיקה נמוכה ומערכות היגוי סרן אחורי עדינות לגלגלים.

התוצאה היא הגברת היעילות של כלי רכב מסחריים במובנים רבים. היתרונות הם תצרוכת אנרגיה נמוכה ("עקרון כוח על פי דרישה"), חיסכון במשקל ועיצוב אופטימלי, וכן אגד של רכיבים יחידים להרכבה יעילה ברכב ("plug & play").

ServoE היא מערכת היגוי חשמלית מלאה לפונקציות נהיגה אוטומטיות עד רמה SAE 4, כלומר כל זמן שיש נהג ברכב שיכול לקחת את השליטה לידיו בשעת חירום. מערכת ההיגוי מבוססת על ערכת בנייה מודולרית ומורכבת מטכנולוגיית הכדור והאגוז המוכחת (ball-and-nut power steering), בשילוב עם שני SCUs אלקטרוניים (Steering Control Units) וממסרת עם הילוכי זחילה. מלבד פונקציות נוחות וסיוע לנהג כגון פיצוי רוח צד, התרעה על סטייה מנתיב וסיוע בפקקים, מערכת ההיגוי תומכת בפונקציות נהיגה אוטונומית ברכבים מסחריים. הדבר אפשרי בשל חיבור בין מערכת ההיגוי לאלקטרוניקה המובנית במשאית.

מערכת ההיגוי האלקטרו-הידראולית Servotwin למשאיות כבדות היא שילוב חדשני של מערכת הגה מכני (Servocom) עם יחידת הנעה ובקרה אלקטרונית. המערכת מציעה סיוע היגוי תלוי מהירות עם נסיעה לאחור אקטיבית, יש לה פונקציות של סיוע לנהג, והיא מאפשרת פונקציות נהיגה אוטונומיות. המעגל החשמלי המרוכז מחליף גם את המעגל ההידראולי השני שנדרש בעבר לכלי הרכב מסחריים עם שני סרנים מהוגים.