ДАТЧИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

                              Кафедра ТРАКТОРЫ И АВТОМОБИЛИ

 

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

К лабораторной работе №2

Тенденции развития электронных систем мобильных машин. Датчики ЭСУД

(Для студентов 2-го курса ИМ и ТС)

 

 

Курс: ТРАКТОРЫ И АВТОМОБИЛИ

Раздел: Электронные системы управления двигателем

 

КАЗАНЬ – 2009

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНЫХ СИСТЕМ МОБИЛЬНЫХ МАШИН

 

Современное мобильное средство состоит из нескольких основных частей: двигателя внутреннего сгорания (ДВС), трансмиссии, остова, ходовой части и др.

Для того чтобы оптимально использовать потенциальные возможности двигателя, экономить топливо и смазочные материалы, снизить негативное воздействие на экологию, работать с максимальной производительностью, чтобы агрегаты, узлы, блоки, системы работали безотказно, на мобильной технике широко используются электротехнические устройства и средства электронной автоматики.

► В последние годы техническая оснащенность мобильной техники электронной бор­товой автоматикой значительно возрастает.

Совсем недавно микропроцессорные системы зажигания, электронные систе­мы управления трансмиссией, системы впрыска бензина, бортовая самодиагностика считались последними достижениями в области аппарато- и приборостроения мобильной техники. Теперь их относят к классическим системам и устанавливают почти на каждый серийный автомобиль и другую мобильную технику.

В наши дни на вновь разрабатываемые модели техники дополнительно на­чинают устанавливать совершенно нетрадиционные бортовые автоматические си­стемы, к которым относятся: информационная система водителя с микропроцес­сорным обеспечением; спутниковая навигационно-поисковая система; радарные и ультразвуковые системы; системы повышения безопасности и комфорта людей в салоне; система круиз-контроля; система «электронная карта»; мультиплексная электропроводка и т.д.

Параллельно проводятся поиски более эффективных компьютерных техноло­гий обработки информации в бортовых электронных системах. Разработаны и уже находят применение так называемые лингвистические функциональные преобра­зователи, работающие с нечеткими подмножествами лингвистических перемен­ных, выраженных отдельными словами или целыми предложениями на естествен­ном (английском) или искусственном (компьютерном) языке. При некотором усложнении логических и арифметических операций в микроЭВМ это позволяет повысить точность и скорость (быстроту) обработки сигналов. Как следствие, зна­чительно усложнился интерфейс и возникла необходимость в введении CAN - протокола в мультиплексную систему.

На базе электронных систем автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д) и тормозами (ЭСАУ-Т) разработана и уже применяется гироскопическая система VDC для повышения курсовой устойчивости автомобиля на дороге в сложных условиях движения. Система VDC работает по принципу запрограммированного под нештатные условия движения совместного воздействия на крутящий момент ДВС (посредством системы ASR) и на антиблокировочную систему тормозов ABS, чем исключается боковой увод (снос) автомобиля при поворотах на большой ско­рости или на скользкой дороге. Водителю в таком случае отводится роль активного наблюдателя, контролирующего и корректирующего поведение автомобиля.

Интенсивно ведутся научные исследования возможности применения электро­магнитных клапанов с электронным управлением в газораспределительном меха­низме (ГРМ) поршневого ДВС. Идею заменить классические механические кла­паны электромагнитными еще в 50-х гг. XX в. предложил профессор Московского автомобильно -дорожного института (МАДИ), доктор технических паук Владимир Митрофанович Архангельский. Что это дает поршневому ДВС, хорошо известно теоретически [24]. Но практическая реализация идеи оказалась исключительно трудоемкой задачей, над решением которой работают специалисты многих зару­бежных фирм и отечественные разработчики. Теоретические и эксперименталь­ные исследования уже завершены. Теперь идут разработки конструкторских вари­антов исполнения ГРМ с электромагнитными клапанами.

Наряду с усовершенствованием автомобильных бензиновых и дизельных ДВС все более ак­тивизируются работы по созданию экологически чистых силовых установок для электромобилей. Полагают, что достойной заменой городскому автомобилю мо­жет стать гибридный электромобиль, электронные системы управления которым также относятся к современным новациям в области автомобиле- и тракторостроения.

В современных условиях глобальным требованием к новейшим электрическим и электронным системам мобильной техники является неукоснительное исполне­ние международных стандартов OBD-II (США) и EOBD-II (EU), которые также продолжают совершенствоваться.

► Помимо специфики выполняемых функций новейшие системы бортовой автоматики мобильной техники кардинально отличаются от классических, чисто элек­тронных систем широким разнообразием принципов действия входящих в них со­ставных подсистем. В зависимости от решаемой задачи в новую систему в качестве основных компонентов могут входить не только электрические и электронные узлы и блоки, но и механические, гидравлические, светооптические, ультразвуко­вые и любые прочие устройства, имеющие неэлектрическую природу функциони­рования. Их роль в реализации заданной функции управления главная, хотя все информационные процессы в системе реализуются на уровне электронных блоков управления (ЭБУ), а в новейших системах — в бортовых микропроцессорах. Такие крупные составные комплексы управления не могут относиться ни к механиче­ским, ни к электрическим, ни к электронным, ни к любым другим «чистым» по принципу действия системам. В этой связи новейшие системы бортовой автоматики, устанавливаемые на концептуальные автомобили тракторы и другую мобильную технику, получили повое название — автотронные системы [3].

Автотронная система, управляя неэлектрическими процессами через неэлектрическую периферию на выходе, сама управляется от сигналов, имеющих неэлектрическую природу, которые формируются неэлектрической входной периферией.

► Например, автотронная система VDC (управления курсовой устойчивостью движения автомобиля), функциональные взаимосвязи которой с водителем и до­рогой показаны на рис. 1.1, использует в качестве входной информации скорость движения, углы наклонения кузова, разность частот вращения колес, угол поворо­та руля, атмосферные условия, а в некоторых вариантах — давление в шинах и со­стояние дорожного покрытия.

Описание условных обозначений, принятых на рис 1.1.

I. Географические условия: извилистость дороги, спуски, подъемы, повороты, перекрестки дорог, переезды.

II. Дорожные условия: тип дорожного покрытия (гравий, бетон, асфальт); ас­фальт сухой, мокрый, обледенелый; освещение дороги; плотность транспортного потока.

III Климатические условия: атмосферные - температура, влажность, давление; температура асфальта.

IV. Техногенные условия: сцепление колес с дорогой по состоянию протекторов шин; скорость вращения колес; скорость рыскания; боковой увод автомобиля, бо­ковой увод колес, боковое ускорение.

A. Блок датчиков: угла поворота руля; угла поворота кузова автомобиля вокруг вертикальной оси (гироскоп); бокового ускорения.

B. УВР — управляющие реакции водителя, являющиеся откликом субъектив­ного мышления на дорожные условия движения; проявляются индивидуально в зависимости от физического и психического состояния человека.

C. Блок датчиков: температуры, давления, влажности в атмосфере, температу­ры асфальта (по давлению в шинах).

D. Блок колесных датчиков (ДК) ABS и вычисляемых в ЭБУ системы VDC неэлектрических входных параметров — μ, φ, ά, β, δ, ν.

E. Центральный боковой компьютер (микропроцессор МП), в который интег­рированы все логические и вычислительные функции четырех автоматических си­стем управления VDC, ADS, ASR, ABS. Содержит оперативную (ОЗУ) и постоян­ную (ПЗУ) память, а также входные аналогово-цифровые (АЦП) и выходные цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи.

F. Блок оконечных преобразователей электрических сигналов в неэлектриче­ские воздействия:

а) ДИС/ВП — драйверы информационной системы водителя (ДИС) и визуаль­ный преобразователь (ВП) электрического сигнала в оптическое изображение;

б) ЭДД/КД — электродвигатель (ЭДД) и клапан (КД) демпфирования актив­ной подвески (системы ADS);

в) ЭДН/НД — электродвигатель (ЭДН) и нагнетатель (НД) высокого давления в системе VDC;

г) ЭДТ/ГК. — электродвигатель (ЭДТ) и гидроклапаны (ГК) системы ABS;

д) ШЭД/ДР — шаговый электродвигатель (ШЭД) и дроссельная заслонка (ДР) системы ASR.

G. Блок водительских органов управления: ВИ — визуальные индикаторы (стрелочные, электронные, дисплей и пр.); РК — рулевое колесо; ПТ — педаль тормоза; ПГ — педаль акселератора (газа).

Все это неэлектрические проявления условий движения автомобиля, которые с помощью входных неэлектрических преобразователей перерабатываются в неэ­лектрические информационные сигналы: скорость движения — в круговую часто­ту вращения колес; углы вертикального наклонения — в механические перемеще­ния инерционных элементов в гироскопическом устройстве; угол поворота руля — в движение (поворот) светомодулирующего (кодирующего) диска; давле­ние в шинах — в прогиб упругой мембраны и т. д.

Полученные таким образом неэлектрические информационные сигналы) по­средством входных датчиков (рис. 1.1, поз. А, С, D) преобразуются в электриче­ские сигналы: поворот кодирующего диска на руле — в цифровой электрический код; круговая частота вращения колес — в последовательность электрических им­пульсов с изменяющейся частотой следования; перемещение инерционных эле­ментов гироскопа, упругой мембраны датчика давления — в аналоговые электри­ческие сигналы, которые далее с помощью аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) перерабатываются в цифровые электрические сигналы, пригодные для по­дачи на вход микропроцессора МП.

Микропроцессор — это центральный орган управления (мозг) автотронной си­стемы. Его главная функция заключается в преобразовании электрических инфор­мационных сигналов об условиях движения автомобиля, полученных от входной периферии, в электрические сигналы управления, несущие информацию об ин­тенсивности и последовательности неэлектрических воздействий на неэлектриче­ские органы управления. Такая информация формируется в микропроцессоре в виде кодовых последовательностей электрических импульсов, которые для непо­средственного управления неэлектрическими органами непригодны.

Для согласования энергетических уровней без нарушения информационного содержания на выходе микропроцессора реализуется обратное преобразование информационных сигналов из цифровой в аналоговую форму. Эту функцию вы­полняют цифроаналоговые преобразователи (ЦАПы), которые одновременно яв­ляются усилителями мощности аналоговых электрических сигналов.

 

Рисунок 1.1 – Система VDC — как составная часть системы «дорога — водитель — автомобиль»

Чтобы выполнить управляемое неэлектрическое воздействие на неэлектриче­ские органы управления, вслед за ЦАПами устанавливаются оконечные преобра­зователи электрических сигналов в механические или любые другие неэлектриче­ские воздействия. Оконечные преобразователи (блок F на рис. 1.1) являются вы­ходными исполнительными устройствами автотронной системы, но не являются ее информационным окончанием. В отличие от электронной системы автотрон­ная система включает в свой состав и неэлектрические объекты управления, кото­рые и являются оконечными потребителями информации. Применительно к рас­сматриваемой системе управления устойчивостью движения автомобиля, оконеч­ными потребителями информации являются: система подачи топлива в двигатель 4, тормозная система 2 автомобиля и информационная система водителя с визуа­льными индикаторами (ВИ) и оптическим (зрительным) каналом управления (ОКУ). Эти три системы представляют собой выходную исполнительную перифе­рию автотронной системы, которая (периферия) под автоматическим управлени­ем микропроцессора, при крайне ограниченном (посредством коррекции положе­ния руля) участии водителя, обеспечивает наиболее оптимальный режим движе­ния автомобиля в сложных дорожных условиях или в аварийной ситуации (более подробно система VDC описана в главе 8).

► Другой пример — автотронное управление насос-форсунками, которые ис­пользуются в системах впрыска бензина под большим давлением непосредственно в камеру сгорания для реализации внутреннего смесеобразования. Начиная с 2000 года, такие форсунки стали устанавливаться в двигателях экспериментальных легковых автомобилей фирмы TOYOTA (Япония).

Насос-форсунка (рис. 1.2), являясь гидромеханическим устройством, приво­дится в действие от кулачка 10 распределительного вала ДВС, а управляется от электронной системы S автотронного управления впрыском (ЭСАУ-В) посредст­вом быстродействующего электрогидравлического клапана 2.

Насос-форсунка является ярким примером составного компонента автотрон­ной системы. Входными неэлектрическими сигналами здесь служат: частота вра­щения и угловое положение распределительного вала; абсолютное давление (раз­режение) во впускном коллекторе; температура двигателя и положение водитель­ской педали газа. Эти неэлектрические величины с помощью соответствующих датчиков и АЦП преобразуются в числоимпульсную последовательность электри­ческих сигналов и подаются на вход микропроцессора ЭСАУ-В. В микропроцес­соре путем математической обработки входных сигналов происходит формирова­ние последовательности управляющих импульсов для электрогидравлического клапана насос-форсунки.

Рисунок 1.2 – Насос-форсунка системы впрыска бензина

1 — фрагмент блока цилиндров в зоне камеры сгорания; 2 — магнитоэлектрический гидроклапан в сливном канале; 3 — главная бензомагистраль; 4 — подающая бензомагистраль; 5 — сливной канал (обратная бензомагистраль); 6 — корпус насос-форсунки; 7 — возвратная пружина плунжера; 8 — опорная тарелочка пружины плунжера; 9 — толкатель плунжера; 10 — кулачок распредвала; 11 — запорное кольцо опорной тарелочки; 12 — поршень плунжерного насоса; 13 — рабочая полость насос-форсунки; 14 — гидромеханическая форсунка закрытого типа высокого давления (100—150 бар); 15 — перепускной канал из полости плунжерного насоса в полость форсунки; 16 — возвратная пружина запорного клапана форсунки; 17 — дисковый запорный клапан форсунки; 18 — свеча зажигания (СЗ); 19 — центральный электрод СЗ; 20 — боковой электрод; 21 — конус (струя) распыленного бензина; L — ход плунжера

 

В данном случае ЦАП на выходе микропроцессора не применяется, но управ­ляющие импульсы усиливаются в усилителе мощности и подаются на обмотку электромагнита гидроклапана 2. Гидроклапан представляет собой выходное ис­полнительное устройство автотронной системы. Однако объектом управления яв­ляется не гидроклапан, а точно отмеренная по массе и распределенная по време­ни струя 21 распыленного бензина, поступающая в объем цилиндра через диско­вый запорный клапан 17 форсунки. Управление струей позволяет получить так называемый послойный впрыск бензина, суть которого состоит в строго дозированной подаче топлива отдельными порциями и в строго определенное время.

При этом за один цикл впрыска бензин подается не сплошной однородной струей, как в обычной форсунке с электронным управлением, а несколькими час­тями, каждая из которых образует «свой» коэффициент избытка воздуха β. В объе­ме цилиндра образуется послойная структура ТВ-смеси с разной концентрацией компонентов. Преимущество прямого послойного впрыска бензина состоит в том, что в первый момент воспламенения в зоне центрального электрода 19 свечи за­жигания 18 имеет место стехиометрическая (нормальная) ТВ-смесь с коэффици­ентом β=1, которая легко возгорается. Далее процесс горения бензина при зна­чительном избытке кислорода (β = 2,0) поддерживается за счет «открытого огня», образовавшегося в первый момент воспламенения. Такой процесс сгорания ТВ-смеси позволяет получить значительную экономию бензина (до 35%), понизить выброс в атмосферу угарного газа СО и углеводородов СН, а также увеличить уде­льную мощность двигателя.

► Из приведенных примеров, очевидно, что автотронная система является со­вокупностью самых различных по принципу действия устройств, объединенных в единый комплекс с целью выполнения требуемой специфической функции управления, регулирования или текущего контроля на борту автомобиля. Совре­менные подходы автомобилестроителей к комплексному решению задач автома­тического контроля, управления и регулирования приводят к тому, что подав­ляющее большинство новейших систем бортовой автоматики являются автотронными. Входными воздействиями для них являются неэлек­трические проявления режима работы, условий движения, дорожных ситуаций и других факторов, а выходными потребителями информации (объектами управле­ния) — неэлектрические узлы, блоки, устройства, газообразные и жидкостные среды, имеющие место на автомобиле, и сам водитель. Это принципиальные от­личия автотронных систем от чисто электронных и электрических.

► Говоря о тенденциях и перспективах развития бортовых устройств, следует отметить, что традиционно наиболее интенсивно совершен­ствуются узлы, агрегаты и схемы классического электрооборудования. Уже ско­ро в бортсеть мобильной машины будет внедрено второе рабочее напряжение 42 вольта. Это связано с необходимостью повышения напряжения электропитания для новейших энергоемких потребителей, таких как силовые электромагнитные гидроклапаны, электромагнитные соленоиды силовых исполнительных уст­ройств, мощные электродвигатели, силовые электронные коммутаторы, мульти­плексная электропроводка и т. п.

Ясно, что при повышении напряжения элек­тропитания соответственно уменьшаются токи в цепях потребителей, что приводит к более надежной и экономичной их работе. Но сразу переводить все электропотребители на новое напряжение, как это было сделано при переходе с 6 па 12 вольт, в настоящее время нерационально. Причина тому –  выпуск 12 - вольтовых потребителей огромными сериями, технологическая оснащенность производства и, главное, все эксплуатируемые в настоящее время автомобили большая часть тракторов оборудованы 12 - вольтовыми потребителями (электролампы, электродвигатели, электронное и микрокомпьютерное оснащение, аудио-, радио-, видеоаппарату­ра, бортовая самодиагностика и т. п.).

Единой стратегии перевода бортсети мобильной техники на более высокое напряжение пока нет. Полагают, что некоторое время будет два напряжения: 12 вольт — для классического электрооборудования, и 42 вольта — для новейших мощных потребителей. Такой подход широко используется на многотонных гру­зовых автомобилях, где имеются основные потребители электрической энергии напряжением 24-вольта, а освеще­ние осуществляется от напряжения 12 вольт.

Намечается использование тракторов в качестве источников электрической энергии напряжением 380 В. Мощность генераторов, устанавливаемых на тракторах, будет доведена до 30% мощности двигателя трактора.

Еще более яркий пример — электромобили. Здесь главная тя­говая аккумуляторная батарея, управляющий контроллер и тяговый электродвига­тель рассчитаны па напряжение 120...380 В и соединены между собой отдельными цепями. При этом бортсеть остается 12-вольтовой.

Из приведенных примеров ясно, что функциональное многообразие бортовых электрических устройств неизбежно приводит к необходимости применения на автомобиле нескольких первичных источников электроэнергии с различными ра­бочими напряжениями. При этом не исключено, что будет использоваться и пере­менное синусоидальное напряжение для специальных потребителей.

► Под новые напряжения в первую очередь будут модернизированы бортовые электромашины. Уже в наши дни значительно видоизменен электростартер. В нем не применяется последовательное возбуждение, которое заменено возбуждением от постоянных магнитов. Жесткая механическая характеристика электродвигателя такого стартера согласовывается с пусковым моментом ДВС посредством плане­тарного редуктора (редуктора Джемса). Давно нет коллекторных генераторов по­стоянного тока, их заменили многофазные синусоидальные генераторы с полу­проводниковыми выпрямителями и электронными регуляторами напряжения. Но и такие генераторы могут значительно видоизмениться при появлении второго ра­бочего напряжения или если необходимость в высоковольтном переменном на­пряжении станет реальной.

Ведутся также разработки по созданию универсальной электрической машины, так называемого «стартер - генератора», которая сможет выполнять две функции: запуск ДВС и подачу электроэнергии в бортсеть после запуска ДВС.

► Современная микропроцессорная система зажигания с низкоуровневым многоканальным распределением энергии по свечам [2] является наиболее совер­шенным решением проблемы принудительного электроискрового воспламенения ТВ-смеси в цилиндрах поршневого ДВС. Но и это не предел достижений. Уже ис­пытаны лазерные свечи зажигания, которые работают непосредственно от электронной схе­мы управления без промежуточного энергона­копителя. Это позволит значительно повысить надежность и КПД системы зажигания, а так­же избавить ее от высокочастотных электроис­кровых помех на другие узлы и блоки бортовой электронной автоматики. Электронной схемой управления может стать магнитный модулятор сжатия, работающий на ферромагнитных сер­дечниках насыщения. Схема такого модулятора приведена на рис. 1.3, основным элементом в которой является высоковольтный трансфор­матор с насыщающимися сердечниками.

Если магнитопровод трансформатора внести в режим насыщения, то его коэф­фициент трансформации резко падает и энергия из первичной обмотки во вто­ричную не трансформируется.

Выходной трансформатор имеет два изолированных друг от друга магнитопровода — М₁, и М₂, охваченных общей первичной обмоткой W₁,. Каждый магнитоп­ровод оснащен отдельной обмоткой управления (W_B' и W_B") и отдельной двухвыводной вторичной обмоткой (W₂' и W₂").

Когда по управляющей обмотке W_В' протекает ток, достаточный для насыще­ния сердечника М₁, а обмотка W_В" обесточена, то высокое напряжение будет на­водиться только во вторичной обмотке W₂". Если обесточить управляющую об­мотку W_В' и пропустить ток насыщения по обмотке W_B", то насытится сердечник М₂ и высокое напряжение будет трансформировано только в обмотку W₂'.

Система зажигания с трансформатором насыщения обладает высокой надеж­ностью, малыми габаритами и весом.

В заключение следует отметить, что не все известные разработки бортовых си­стем вышли из стадии экспериментальных исследований.

 

Рисунок 1.3 – Магнитный модулятор системы зажигания

 

Они используются в основном на фирменных моделях спортивных и концептуальных автомобилей. Но, как и прежде, почти все новации, испытанные на копцепткарах, рано или поздно начинают применяться на серийных автомобилях.

Таковы тенденции развития мобильной техники и, в частности, систем бортового электрического, электронного и автотронного оборудования.

 

 

ДАТЧИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

 

Предварительные замечания

Современные электронные системы автоматического управления (ЭСАУ) раз­личными техническими объектами, в том числе и бортовыми устройствами мобильных, имеют сходную структуру.

Различные датчики ЭСАУ преобразуют информацию о значениях контролиру­емых неэлектрических параметров в электрический сигнал — напряжение, ток, частоту, фазу и т. д. Эти сигналы преобразуются в анало-цифровом преобразователе (АЦП) в цифровой код и поступают в микроконтроллер. Микроконтроллер па основании значений этих сигналов и в соответствии с заложенным в него программным обеспечением принимает реше­ния, управляет через исполнительные механизмы (реле, соленоиды, электродвига­тели) объектом.

Возможность совершенствования электронных систем во мно­гом зависит от наличия надежных, точных и недорогих датчиков.

В 60-х годах автомобили были оборудованы датчиками давления масла, уровня топлива, температуры, охлаждающей жидкости. Их выходы были подключены к стрелочным или ламповым индикаторам на щитке приборов.

В 70-х годах производители мобильной техники начали бороться за уменьшение ко­личества токсичных выбросов двигателя – потребовались до­полнительные датчики для управления силовой установкой, которые необходи­мы для обеспечения нормальной работы электронного зажигания, системы впрыска топлива, нейтрализатора отработавших газов (ОГ), для точного задания со­отношения воздух/топливо в рабочей смеси, для минимизации токсичности выхлопных газов.

В 80-х годах начали уделять больше внимания безопасности водителя и пасса­жиров — на автомобилях появились антиблокировочная система торможения (ABS) и воздушные мешки безопасности. На тракторах уделялось внимание автоматизации выбора режимов работы, повышению производительности агрегатов на основе контроля буксования, загрузки двигателя.

В силовом агрегате (в ДВС) датчики используются для измерения температуры и давления большинства текучих сред (температура всасываемого воздуха, абсо­лютное давление во впускном коллекторе, давление масла, температура охлажда­ющей жидкости, давление топлива в системе впрыска).

Почти ко всем движущимся частям мобильной техники подключены датчики скорости или положения (скорость мобильной техники (МТ), положение дроссельной заслонки, положе­ние коленчатого вала, положение распределительного вала, положения и скорости вращения валов в коробке переключения передач, положение клапана рециркуля­ции выхлопных газов).

Другие датчики определяют уровень детонации, нагрузку двигателя, пропуски воспламенения, содержание кислорода в выхлопных газах.

В системе управления климатом (в климат-контроле) используются различные датчики в кондиционере для определения давления и температуры хладагента, температуры воздуха в салоне и за бортом.

Есть датчики, которые определяют положение сидений, сглаживают колебания, передающиеся от остова техники на оператора мобильной машины.

После появления антиблокировочной системы торможения и активной подвес­ки потребовались датчики для определения скорости вращения колес, высоты ку­зова по отношению к шасси, давления в шинах.

Датчики удара и акселерометры нужны для правильного функционирования фронтальных и боковых воздушных мешков безопасности. Для переднего пасса­жирского сиденья с помощью датчиков определяют наличие пассажира, его вес. Эта информация используется для оптимального наддува мешка безопасности на переднем сидении. Другие датчики используются для боковых и потолочных воз­душных мешков безопасности, а также специальных воздушных мешков для за­щиты шеи и головы.

На современных мобильных машинах антиблокировочные системы торможения заме­няются более сложными и эффективными системами управления стабильностью движения техники. Возникает необходимость в новых датчиках. Разрабатыва­ются и уже имеются датчики скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси, датчики для предупреждения столкновений (например, радарные), датчики для определения близости других автомобилей, датчики положения рулевого ко­леса, бокового ускорения, скорости вращения каждого колеса, крутящего момента на валу двигателя и т. д. Управление тормозной системой автомобиля становится частью более общей и эффективной системы электронного управления курсовой устойчивостью и стабильностью движения.

Из сказанного ясно, что сегодня датчики устанавливаются практически во всех системах мобильной техники.

На рисунке 2.1 показано наиболее рациональное расположение различных дат­чиков на автомобиле.

 

► Датчики электронных систем можно классифицировать по трем признакам:

принципу действия;

типу энергетического преобразования;

ос­новному назначению.

Рисунок 2.1 – Расположение датчиков на автомобиле

1 — датчик конфигурации впускного коллектора с управляемой геометрией, 2 — датчик тахометра, 3 — датчик положения распределительного вала, 4 — датчик нагрузки двигателя, 5 — датчик положения коленчатого вала, 6 — датчик крутящего момента двигателя, 7 — датчик количества масла, 8 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 9 — датчик скорости автомобиля, 10 — датчик давления масла, 11 — датчик уровня охлаждающей жидкости, 12 — радарный датчик системы торможения, 13 — датчик атмосферного давления, 14 — радарный датчик системы предотвращения столкновений, 15 — датчик скорости вращения ведущего вала коробки передач, 16 — датчик выбранной передачи в коробке передач, 17 — датчик давления топлива в рампе форсунок, 18 — датчик скорости вращения руля, 19 — датчик положения педали, 20 — датчик скорости вращения автомобиля относительно вертикальной оси, 21 — датчик противоугонной системы, 22 — датчик положения сиденья, 23 — датчик ускорения при фронтальном столкновении, 24 — датчик ускорения при боковом столкновении, 25 — датчик давления топлива в баке, 26 — датчик уровня топлива в баке, 27 — датчик высоты кузова по отношению к шасси, 28 — датчик угла поворота руля, 29 — датчик дождя или тумана, 30 — датчик температуры забортного воздуха, 31 — датчик веса пассажира, 32 — датчик кислорода, 33 — датчик наличия пассажира в сиденье, 34 — датчик положения дроссельной заслонки, 35 — датчик пропусков воспламенения, 36 — датчик положения клапана рециркуляции выхлопных газов, 37— датчик абсолютного давления в впускном коллекторе, 38 — датчик азимута, 39 — датчик скорости вращения колес, 40 — датчик давления в шинах

 

По принципу действия датчики подразделяют на:

· электроконтактные;

· потенциометрические;

· оптические;

· оптоэлектронные;

· электромагнитные;

· индуктивные;

· магниторезистивные;

· магнитострикционные;

· фото- и пьезоэлектрические;

· датчи­ки на эффектах Холла, Доплера, Кармана, Зеебека, Вигонда.

 

В зависимости от энергетического преобразования смотрите рисунок 2.2, датчики (Д) бывают активными (поз. 2 на рис. 2.2), в которых выходной электрический сигнал (ЭС) возникает как следствие входного неэлектрического воздействия (НВ) без приложения сторонней электрической энергии за счет внутреннего физического эффекта (например фотоэффекта), и пассивными (поз. 3 на рис. 2.2), в которых электрический сигнал (ЭС) есть следствие модуляции внешней электрической энергии (ВЭ) управляющим неэлектрическим воздейст­вием (НВ).

 

Рисунок 2.2 – Модели датчиков ЭСАУ

 

 

Например, потенциометрический датчик, показанный па рис. 2.2 (поз. 5), является пассивным преобразователем угла поворота оси потенциомет­ра (чувствительного элемента ЧЭ) в электрический сигнал. Электрический сиг­нал (ЭС) появится на выходе потенциометра только после того, как на резистивную дорожку (П) будет подано внешнее напряжение (ВЭ). Следует отме­тить, что внутри датчика, посредством чувствительного элемента (ЧЭ), всегда имеет место внутреннее преобразование внешнего неэлектрического воздействия (НВ) в промежуточный неэлектрический сигнал (НС), что показано на рис. 2.2 поз. 1).

Применительно к датчику угла поворота, угловое положение оси потенциометра является неэлектрическим сигналом (НС) на выходе чувствительного элемента (ЧЭ). Этому неэлектрическому сигналу (НС) соответствует выходной электрический сигнал (ЭС) датчика, если поданное па резистивную дорожку (П) внешнее напряжение (ВЭ) постоянно (рис. 2.1, б, поз. 4). Линей­ная характеристика преобразования (рис. 2.2 поз.6 может быть легко изме­нена на квадратичную, ступенчатую и любую нелинейную с заданной крутиз­ной, что достигается подбором конструктивных размеров (длины, ширины, тол­щины) резистивной дорожки.

Из приведенного примера ясно, что любой датчик всегда состоит, как мини­мум, из двух частей — из чувствительного элемента (ЧЭ), способного восприни­мать входное неэлектрическое воздействие (НВ), и из преобразователя (П) проме­жуточного неэлектрического сигнала (НС) от чувствительного элемента в выход­ной электрический сигнал (ЭС).

По назначению датчики классифицируются по типу управляющего неэлектри­ческого воздействия:

· датчики краевых положений;

· датчики угловых и линейных перемещений;

· датчики частоты вращения и числа оборотов;

· датчики относитель­ного или фиксированного положения;

· датчики механического воздействия;

· датчи­ки давления;

· датчики температуры;

· датчики влажности;

· датчики концентрации кислорода;

· датчик радиации и др.

► Датчики подключаются к ЭБУ или средствам индикации для передачи ин­формации о параметрах контролируемой среды. В электронных системах мобильных машин цена и надежность имеют огромное значение и при прочих равных условиях всегда вы­бирают датчик с наименьшим числом соединителей. Если к датчику следует под­ключить 5—6 проводов (например, ЛДТ), целесообразно разместить микросхему обработки сигнала непосредственно на датчике и передавать данные контроллеру через последовательный интерфейс.

При подключении датчиков к ЭБУ следует иметь в виду, что масса мобильной машины не может быть использована в качестве измерительной земли. Между точкой подключения ЭБУ к массе и датчиком напряжение может падать до 1 В за счет токов силовых элементов по массе, что недопустимо как при штатной работе датчика, так и при его диагностике.

Подавляющее большинство датчиков из числа вышеперечисленных уже доста­точно широко используется на современной импортной и отечественной мобильной технике. Их устройство, работа и принципы диагностирования подробно описаны в [3] и [4]. Но есть и такие, которые появились относительно недавно и находятся на стадии внедрения в новейшие системы мобильной техники. Описание та­ких датчиков приведено в приложении А.

ПРИЛДОЖЕНИЕ А

А1 Датчики давления

 

На современной мобильной технике используется большое число датчиков давления (от давления масла до дифференциального давления воздуха по разные стороны кузова автомобиля), и их количество постоянно растет.

Измерение давления в различных жидкостных и газообразных текучих средах производится на автомобиле в процессе разработки, производства и эксплуата­ции. Результаты этих измерений необходимы для проведения экспериментальных исследований, обеспечения нормальной безопасной эксплуатации автомобиля, выдачи информации водителю, для диагностики.

В зависимости от измеряемого параметра могут применяться разные единицы измерения давления. В системе СИ это паскаль (Па) или килопаскаль (кПа). Не­зависимо от метода измерения в технических системах определяется избыточное, абсолютное или дифференциальное давление.

 

Таблица А.1 – Соотношения между различными единицами измерения давления

1	[psi]	[Мм рт. ст]	[кПа]
[psi]	1.0	51,715	6,8947
[Мм рт. ст]	0,0193	1.0	0,133332
[кПа]	0,1450	7,5006	1,0

 

Таблица А.2 – Узлы мобильной техники, где имеется необходимость измерения давления

Система	Параметр	Диапазон
Управление двигателем	Абсолютное давление во впускном коллекторе [кПа]	100
	Абсолютное давление во впускном коллекторе двигателя с наддувом [кПа]	200
	Барометрическое давление[кПа]	100
	Давление в системе рециркуляции выхлопных газов [кПа]	51,7
	Давление топлива[кПа]	450
Коробка переклю-чения передач	Давление масла [кПа]	550
Антиблокировочная система тормозов	Давление масла [кПа]	3447
Воздушные мешки безопасности	Давление газа [кПа]	51,7
Подвеска	Давление в пневматическом амортизаторе [мПа]	1.0

В таблице А.1 приведены соотношения между различными единицами измерения давления, которые используются при маркировке датчиков в автомобильной про­мышленности. Здесь psi — это фунт на квадратный дюйм, единица давления, которая при­меняется в англоязычных странах.

Современный серийный автомобиль имеет несколько датчиков для измерения давления, например, разрежения во впускном коллекторе, давления масла в дви­гателе и т. д.

В табл. А.2 приведены некоторые узлы мобильной техники, где имеется необходимость измерения давления с целью получения управляющих сигналов для ЭСАУ.

Водителю обычно выдается информация со следующих датчиков: давления масла в двигателе, уровня топлива, уровня масла, давления охлаждающей жидко­сти, уровня охлаждающей жидкости, уровня жидкости в омывателе, уровня жид­кости в коробке переключения передач, давления в шинах.

---

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 577; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!