Συστήματα Ζύγισης Οχημάτων | Ιστορία, Λειτουργία και Τεχνική Ανάλυση (Μέρος 1ο)

Εισαγωγή

Τα σύγχρονα αυτοκίνητα ενσωματώνουν διάφορα συστήματα ζύγισης και μέτρησης φορτίου που συμβάλλουν στην ασφάλεια, την άνεση και την απόδοση. Τέτοια συστήματα επιτρέπουν στο όχημα να αντιλαμβάνεται το βάρος ή/και το ύψος (στάθμη ανάρτησης) υπό διαφορετικές συνθήκες φόρτωσης, ώστε να ρυθμίζει αυτόματα την ανάρτηση, τη στόχευση των φώτων ή τη λειτουργία των αερόσακων.

Ιστορική Αναδρομή και Εξέλιξη

Η ιδέα της αυτόματης μέτρησης φορτίου/ύψους ξεκινά ήδη από τα μέσα του 20ού αιώνα. Ένα ορόσημο ήταν η εισαγωγή της αυτοεπιπεδούμενης ανάρτησης από τη Citroën τη δεκαετία του 1950. Συγκεκριμένα, το 1954 η Citroën εφάρμοσε πρώτη φορά υδροπνευματική ανάρτηση με αυτόματη ρύθμιση ύψους στο πίσω μέρος του Traction Avant, ενώ το 1955 η θρυλική Citroën DS διέθετε υδροπνευματική ανάρτηση και στους τέσσερις τροχούς[1]. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιούσε αντλία υψηλής πίεσης και υδραυλικό υγρό για να ρυθμίζει τον όγκο του υγρού στους κυλίνδρους της ανάρτησης, επιτυγχάνοντας αυτόματη στάθμη (leveling) ανεξάρτητα από το φορτίο[2]. Η καινοτομία αυτή ενέπνευσε και άλλους κατασκευαστές: η Rolls-Royce (Silver Shadow), η Maserati, η Peugeot και η Mercedes-Benz (Active Body Control) υιοθέτησαν ή ανέπτυξαν παρόμοια αυτορυθμιζόμενα συστήματα ανάρτησης τις επόμενες δεκαετίες[3].

Εκτός από την ανάρτηση, αναπτύχθηκε και η ιδέα της μέτρησης βάρους επιβατών για σκοπούς ασφαλείας. Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, έγινε σαφές ότι οι εμπρός αερόσακοι μπορούσαν να προκαλέσουν τραυματισμούς σε παιδιά ή μικρόσωμους επιβάτες λόγω της ισχυρής ανάπτυξής τους. Το 2000, το Υπουργείο Μεταφορών των ΗΠΑ εξέδωσε κανονισμό που απαιτούσε από το 2006 και μετά όλα τα νέα αυτοκίνητα να μειώσουν τον κίνδυνο τραυματισμού από τους αερόσακους, ιδίως σε γυναίκες και παιδιά μικρότερου μεγέθους[4]. Αυτό οδήγησε τους κατασκευαστές στην υιοθέτηση συστημάτων ανίχνευσης επιβατών (Occupant Classification Systems – OCS) με αισθητήρες βάρους στο κάθισμα και άλλες τεχνολογίες, ώστε να αναγνωρίζεται αν στη θέση συνοδηγού βρίσκεται παιδί ή ελαφρύς επιβάτης και ανάλογα να απενεργοποιείται ή να μειώνεται η ισχύς του αερόσακου[5][6]. Έτσι, από τα μέσα της δεκαετίας του 2000, σχεδόν όλα τα επιβατικά οχήματα διαθέτουν κάποιο είδος αισθητήρα βάρους καθίσματος για τη ταξινόμηση επιβάτη.

Τέλος, πρόσφατα βλέπουμε καινοτομίες σε ενσωματωμένα συστήματα ζύγισης φορτίου σε οχήματα παραγωγής. Για παράδειγμα, το ηλεκτρικό φορτηγό Ford F-150 Lightning (2022) εισήγαγε ενσωματωμένη λειτουργία “On-Board Scales”, όπου το ίδιο το όχημα μπορεί να υπολογίσει το βάρος του φορτίου που μεταφέρει σε πραγματικό χρόνο[7]. Αυτό επιτυγχάνεται με αισθητήρες ανάρτησης που μετρούν τη βύθιση (μετατόπιση) κάθε τροχού και, βάσει της παραμόρφωσης των αναρτήσεων, υπολογίζεται το προστιθέμενο βάρος φορτίου στο όχημα[7]

Κατηγορίες Συστημάτων Ζύγισης και Στάθμης Οχήματος

Στον όρο “συστήματα ζύγισης οχήματος” περιλαμβάνεται μια σειρά από υποσυστήματα με διαφορετική λειτουργία και σκοπό. Παρακάτω αναλύονται οι βασικότερες κατηγορίες και οι μορφές στις οποίες εμφανίζονται:

1. Αισθητήρες Ύψους Ανάρτησης (Self-Leveling Suspension Systems)

Πρόκειται για αισθητήρες τοποθετημένους στην ανάρτηση (συνήθως ένας σε κάθε τροχό ή άξονα), οι οποίοι μετρούν το ύψος του οχήματος σε σχέση με τον άξονα ή το δρόμο. Ο σκοπός τους είναι να πληροφορούν την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ανάρτησης για τυχόν μεταβολές στο ύψος του αμαξώματος, ώστε το σύστημα να προσαρμόζει ανάλογα την ανάρτηση. 

Οι αισθητήρες αυτοί λειτουργούν συνήθως ως αισθητήρες γωνίας (angle sensors): ένας βραχίονας συνδέεται στην ανάρτηση και μετακινείται ανάλογα με τις κινήσεις της. Η περιστροφή του βραχίονα μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα τάσης αναλογικό προς τη γωνία[11]. Με άλλα λόγια, όταν ο τροχός ανέρχεται ή κατέρχεται, ο αισθητήρας παράγει μια τάση που αντιστοιχεί στο νέο ύψος. Αυτή η τάση αποστέλλεται στην ECU (μονάδα ελέγχου ανάρτησης) για επεξεργασία[11]

Οι νεότεροι αισθητήρες είναι συχνά χωρίς επαφή (contact-free) με χρήση μαγνητών και στοιχείων Hall, πράγμα που εξασφαλίζει ότι δεν υπάρχει μηχαντική τριβή και φθορά[12]. Ωστόσο, επειδή τοποθετούνται στο κάτω μέρος του αυτοκινήτου, εκτίθενται σε νερό, υγρασία και χτυπήματα από χαλίκια, γεγονός που μπορεί με τον καιρό να βλάψει τα ηλεκτρονικά τους ή να ραγίσει το περίβλημα[13].

Μορφές και Εφαρμογές: Οι αισθητήρες ύψους αποτελούν μέρος κάθε συστήματος αυτορυθμιζόμενης ανάρτησης. Η ECU μέσω αυτών ρυθμίζει αυτόματα την πίεση αέρα σε κάθε αεροθάλαμο, κρατώντας το αυτοκίνητο οριζοντιωμένο ανεξάρτητα από το φορτίο[14]. Αυτό όχι μόνο διατηρεί σταθερή απόσταση από το έδαφος για αποφυγή χτυπημάτων και σωστή οδική συμπεριφορά, αλλά εξασφαλίζει και ότι το όχημα παραμένει ευσταθές και η οδική του συμπεριφορά προβλέψιμη, ακόμα κι όταν αλλάζει το κέντρο βάρους (π.χ. από φορτίο ή επιβάτες).

2. Σύστημα Ανίχνευσης Βάρους Επιβάτη (Occupant Weight Sensing)

Αυτή η κατηγορία αφορά αισθητήρες που ζυγίζουν το βάρος του επιβάτη στο κάθισμα, κυρίως του συνοδηγού, για να καθορίσουν τη συμπεριφορά των συστημάτων ασφαλείας (αερόσακοι). Γνωστό και ως Weight Sensing System (WSS) ή Occupant Classification System (OCS), το σύστημα αυτό έγινε ευρέως διαδεδομένο μετά το 2000, καθώς οι κανονισμοί απαίτησαν “έξυπνους” αερόσακους. Ο σκοπός είναι να αναγνωρίζεται αν στο κάθισμα βρίσκεται ένας ενήλικος ή ένα παιδί (ή βρεφικό κάθισμα), ώστε ο εγκέφαλος του SRS (Supplemental Restraint System) να αποφασίζει αν θα ενεργοποιήσει τον αερόσακο συνοδηγού και με ποια δύναμη.

Τεχνολογία Αισθητήρων: Δεν χρησιμοποιούν όλοι οι κατασκευαστές την ίδια τεχνολογία για την ανίχνευση βάρους καθίσματος – υπάρχουν διάφορες μορφές:

• Αισθητήρες πίεσης με πιεζοηλεκτρικά στοιχεία και φούσκα: Π.χ. το σύστημα PODS της Delphi (Gen I) ενσωμάτωνε ένα επίπεδο μαξιλαράκι (bladder) γεμάτο σιλικόνη κάτω από την επένδυση του καθίσματος. Όταν καθόταν κάποιος, η πίεση στη φούσκα μετριόταν από πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες και μετατρεπόταν σε σήμα βάρους.

• Αισθητήρες παραμόρφωσης (strain gauges): Αυτή η προσέγγιση (π.χ. από την Texas Instruments) τοποθετεί τέσσερα αισθητήρια παραμόρφωσης σε κατάλληλα σημεία της μεταλλικής βάσης του καθίσματος. Όταν κάθεται κάποιος, το βάρος του προκαλεί μικρές ελαστικές παραμορφώσεις στη βάση, τις οποίες τα αισθητήρια αντιλαμβάνονται ως μεταβολή αντίστασης.

• Χωρητικοί / ηλεκτροστατικοί αισθητήρες (πεδίο E-field): Μια τρίτη τεχνολογία (π.χ. από Freescale/Elesys) βασίζεται στη δημιουργία ενός ασθενούς ηλεκτρικού πεδίου στο κάθισμα. Ενσωματώνονται ηλεκτρόδια/κεραίες στο κάθισμα και εκπέμπεται ένα εναλλασσόμενο ηλεκτροστατικό πεδίο. 

Επικοινωνία Αισθητήρων με ECU

Κάθε αισθητήρας είτε ύψους είτε βάρους στέλνει ένα ηλεκτρικό σήμα στην αντίστοιχη μονάδα ελέγχου:

 – Αισθητήρες ύψους ανάρτησης: Η ECU της ανάρτησης διαβάζει την τάση (π.χ. μέσω μετατροπέα A/D) και την μεταφράζει σε τιμή ύψους. Σε οχήματα με CAN bus, μερικές φορές οι αισθητήρες ύψους συνδέονται σε μια αποκεντρωμένη μονάδα (π.χ. στην ECU κάθε άξονα) και η πληροφορία ύψους μεταδίδεται ψηφιακά στο κεντρικό δίκτυο.

Το σήμα του είναι συνεχές όσο κινείται η ανάρτηση και η ECU μπορεί να λαμβάνει δείγματα κάθε μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου. Με βάση αυτά, η ECU εκτελεί έναν ελεγκτή (πιθανώς PID controller) που αποφασίζει πότε να ενεργοποιήσει αντλία, βαλβίδες ή αλλάξει τη ρύθμιση αμορτισέρ ώστε να επιτευχθεί το επιθυμητό ύψος.

– Αισθητήρες βάρους καθίσματος: Συνήθως συνδέονται σε μια τοπική μονάδα κάτω από το κάθισμα (Occupant Detection ECU). Αυτή λαμβάνει τα ακατέργαστα σήματα (π.χ. μεταβολές αντίστασης ή τάσης από την πίεση/strain gauge) και τα μετατρέπει σε μια ψηφιακή τιμή βάρους. Η επικοινωνία προς την κεντρική ECU αερόσακων γίνεται πλέον ψηφιακά, είτε με ειδική γραμμή επικοινωνίας (π.χ. LIN bus) είτε μέσω του CAN bus.

– Σημαντικό: Το OCS συνεργάζεται και με τον αισθητήρα ζώνης. Αν, για παράδειγμα, ανιχνευθεί ~8 κιλά βάρος (πιθανό παιδικό καθισματάκι) και η ζώνη είναι κουμπωμένη σφιχτά, τότε καταλαβαίνει ότι πρόκειται για παιδικό κάθισμα και θα κρατήσει τον αερόσακο απενεργοποιημένο ακόμη κι αν το βάρος μοιάζει “ενήλικο” λόγω του σφιχτού δεσίματος[24]. Όλες αυτές οι λογικές βρίσκονται στον προγραμματισμό της ECU (εγκεφάλου) αερόσακων. 

– Αισθητήρες φόρτωσης/άξονα: Στα συστήματα ζύγισης φορτίου, οι αισθητήρες (είτε πιεσοηλεκτρικοί είτε δυναμοκυψέλες) συνδέονται στην κεντρική ECU του οχήματος (για εργοστασιακά) ή σε ξεχωριστό modular εγκέφαλο (στα aftermarket). Τα δεδομένα από κάθε άξονα συνδυάζονται για να δώσουν συνολικό βάρος.

Συμπέρασμα

Τα συστήματα ζύγισης και αυτόματης ρύθμισης ύψους αποτελούν μια συναρπαστική σύγκλιση μηχανολογίας και ηλεκτρονικής, η οποία έχει βελτιώσει σημαντικά την ασφάλεια και την άνεση των οχημάτων. Από την πρωτοπορία της Citroën στο αυτοεπιπεδούμενο αυτοκίνητο της δεκαετίας του ’50 έως τα σημερινά προηγμένα ψηφιακά συστήματα αισθητήρων στα καθίσματα και τις αναρτήσεις, βλέπουμε μια συνεχή εξέλιξη. Ο σκοπός παραμένει κοινός: η προσαρμογή του οχήματος στις μεταβαλλόμενες συνθήκες φορτίου και επιβατών, διατηρώντας τη βέλτιστη δυνατή συμπεριφορά και προστασία.

Πηγές

• Arnott (GarageWire) – “Everything you need to know about ride height sensors” (πληροφορίες για λειτουργία αισθητήρων ύψους, συνθήκες λειτουργίας, ανάγκη βαθμονόμησης)[11][12][26].
• HowStuffWorks – “How Occupant Classification Systems Work” (εξήγηση για αισθητήρες βάρους επιβατών, λειτουργία με bladder, strain gauges, απαιτήσεις νομοθεσίας)[6][16][4].
• DesignNews – “Occupant Detection Sensors” (περιγραφή τεχνολογιών Delphi, TI, Freescale για αισθητήρες βάρους καθίσματος)[15][18].
• Haldeman Ford – “How the 2021 F-150’s Onboard Scales Work” (περιγραφή λειτουργίας ενσωματωμένης ζυγαριάς με αισθητήρες ανά τροχό)[7].
• VPG Onboard – “New EU Legislation requires mandatory vehicle weight checks…” (αναφορά σε Οδηγία ΕΕ για ανίχνευση υπερφόρτωσης και προοπτική υποχρεωτικών συστημάτων ζύγισης σε οχήματα)[8][9].
• Wikipedia – “Hydropneumatic suspension” (ιστορικά στοιχεία για την πρώτη αυτοεπιπεδούμενη ανάρτηση Citroën και χρήση από άλλους κατασκευαστές)[1][3].
• [1] [2] [3] Hydropneumatic suspension – Wikipediahttps://en.wikipedia.org/wiki/Hydropneumatic_suspension[4] [5] [6] [24] [28] [29] How Occupant Classification Systems Work | HowStuffWorkshttps://auto.howstuffworks.com/car-driving-safety/safety-regulatory-devices/ocs.htm[7] [20] How the 2021 F-150’s Onboard Scales Work | Haldeman Ford US Hwy. 130

  https://www.haldemandirect.com/blog/2021/october/14/how-the-2021-f-150-s-onboard-scales-work.htm

  [8] [9] [21] [22] New EU Legislation requires mandatory vehicle weight checks from May 2021 | VPG Onboard

  https://vpgonboard.com/about/news/eu-legislation_may_2021/

  [10] [11] [12] [13] [14] [23] [25] [26] [32] Everything you need to know about ride height sensors – Garage Wire

  https://garagewire.co.uk/news/arnott/everything-you-neeed-to-know-about-ride-height-sensors/

  [15] [16] [17] [18] [19] Occupant Detection Sensors

  https://www.designnews.co

  m/automotive-engineering/occupant-detection-sensors-27999

  [27] WSS low supply voltage N110 – Mercedes X-Class Forum

  https://www.xclassforums.com/threads/wss-low-supply-voltage-n110.1712/

  [30] Re-Calibrating Weight Sensing System (WSS) – MBWorld.org Forums

  https://mbworld.org/forums/w211-amg/742638-re-calibrating-weight-sensing-system-wss.html

  [31] ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΒΑΡΟΥΣ ΚΑΘΙΣΜΑΤΟΣ Ε90 [Αρχείο]

  https://www.bmw-motorsport.gr/forums/archive/index.php/t-29312.html