Бортовая система контроля.

ДАТЧИКИ КОНТРОЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Датчики контрольных приборов явля­ются элементами информационно-измерительной системы, обеспечи­вающей водителя информацией о ре­жиме движения, работоспособности или о состоянии агрегатов и автомо­биля в целом, Датчик вместе с указа­телем (приемником) и элементами электрической связи между ними со­ставляют контрольный (контрольно-измерительный) прибор (рис. 1.1). Датчик устанавливается в месте из мерения и преобразует измеряемую физическую величину в пропорциональ­ный электрический сигнал. В приемнике этот сигнал испытывает обратное преобразование.

В зависимости от назначения контрольного прибора используются различ­ные типы датчиков: температуры, давления, уровня топлива и скорости автомо­биля (датчик спидометра).

Рис. 1.1. Функциональная схема контроль­ного прибора:

Д - датчик; У - указатель; ФВ - физическая величина; ЭВ - электрическая величина

Датчики температуры охлаждающей жидкости

Принцип действия. В датчиках темпе­ратуры охлаждающей жидкости исполь­зуются свойства металлов и полупро­водников менять свое сопротивление при изменении температуры окружаю­щей среды. Современные автомобили оснащены датчиками температуры, представляющими собой полупровод­никовые резисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопро­тивления (ТКС), — их сопротивление уменьшается с увеличением температу­ры окружающей среды. По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые обладают пример­но в 10 раз большим значением ТКС, т.е. изменение температуры вызывает рез­кое изменение их сопротивления.

Датчик включается в электрическую цепь контрольного прибора (рис. 1.2). При изменении температуры ток, про­ходящий через датчик, изменяется, что вызывает отклонение стрелки указате­ля контрольного прибора. Сопротивле­ние терморезистора датчика нелиней­но зависит от температуры.

Датчики давления масла

Принцип действия. В основе работы датчиков указателей давления масла в системе смазки двигателя (маномет­ров) лежит свойство упругих элементов деформироваться под действием дав­ления жидкости. В качестве упругих эле­ментов используются гофрированные металлические мембраны (рис. 1.5), жестко закрепленные по краю. Переме­щение центра мембраны при ее дефор­мации, вызванной изменением давле­ния масла, передается на ползунок рео­стата (рис. 1.6). Сопротивление в цепи логометрического указателя давления изменяется, что приводит к отклонению стрелки манометра.

Устройство, работа, характерис­тики. В автомобилях ГАЗ-31029, -3110, -31105, -33021, -2752; ВАЗ-2106, -2107, -21213; «Москвич-2141», -21412, Иж-2126 установлены логометрические мано­метры. В датчике манометра (рис. 1.7) закреплена мембрана 2 с толкателем 10. Рычажок 8 свободно качается на оси и отводится в исходное положение пружиной 7, воздействующей на двой­ной ползунок 4. Регулировочным винтом 9 рычажка 8 обеспечивается установка стрелки указателя в исходное положе­ние. Проволочный стержень 11 служит для самоочистки штуцера датчика. Обмотка реостата 3 выполнена из нихро-мовой проволоки. В зависимости от ве­личины давления масла в штуцере 1 из­меняется прогиб мембраны 2, а вместе с этим изменяется положение ползун­ков на обмотке реостата датчика.

Указатель логометрического мано­метра по принципам построения и дей­ствия аналогичен указателю логометри­ческого термометра. При включении за­жигания и отсутствии давления в масля­ной магистрали ползунки 4 реостата под действием пружины 7 находятся в край­нем левом положении (см. рис. 1.7), что означает включение максимального со­противления датчика в цепь указателя (рис. 1.8). При этом результирующий магнитный поток обмоток 1. 3. 4 указа теля поворачивает постоянный магнит 2 со стрелкой в левую часть шкалы указате­ля. При возрастании давления мембрана 2 (рис.1.7) датчика прогибается и через толкатель 10 перемещает рычажок 8, который через

Датчики уровня топлива

Принцип действия. В современных датчиках уровня топлива используются чув­ствительные элементы, представляющие собой полые пластмассовые поплавки цилиндрической формы. Поплавок всегда находится на поверхности топлива. При изменении уровня топлива положение поплавка изменяется, одновременно перемещается ползунок реостата (рис. 1.9), сопротивление в цепи электромаг­

нитного или логометрического изме­рителя уровня топлива изменяется и приводит к отклонению стрелки ука­зателя уровня топлива.

Устройство, работа, характери­стики. На легковых автомобилях, как правило, используются логометриче-ские измерители уровня топлива с ре­остатными датчиками (рис. 1.10). Фланец 1 датчика крепится к топлив­ному баку. К фланцу приварена при­емная трубка 2 с сетчатым фильт­ром 9. Пластмассовый корпус 10 дат­чика крепится к опорной пластине 3. В корпусе размещены реостат 4, с обмоткой из нихромовой проволо­ки и неподвижный контакт 5 включе­ния контрольной лампы резерва топ­лива. Контакт 5 соединен со штеке­ром 11, а нижний конец реостата — со штекером 12.

Ползунок 6 реостата установлен на вращающейся оси и связан с подвижным рычагом 7, на конце которого закреплен пластмассовый поплавок 8. Корпус датчика установлен на верхней крышке топлив­ного бака, а рычаг с поплавком — внутри. При понижении уровня топлива поплавок с рычагом перемещается вниз, а ползунок по обмотке реостата — в сторону умень­шения сопротивления реостата. В нижнем положении поплавка контакты 5 и 6 за­мыкаются, и включается сигнальная лампа, оповещающая водителя о снижении уровня топлива до минимального значения и необходимости произвести заправку. Характеристики датчиков уровня топлива приведены в табл. 1.4.

Датчики электронных спидометров

Принцип действия. В датчиках элек­тронных спидометров используется «эффект Холла», названный в честь аме­риканского физика Э.Холла, открывшего это явление еще в 1879 г. Если к провод­нику или полупроводнику приложено на­пряжение Un (рис. 1.11) и его пронизыва­ет под прямым углом магнитное поле, обладающее индукцией В, то возникает -напряжение Холла» U и, перпендикуляр­ное направлению тока от источника пи­тания In и направлению магнитного поля: U„ = К_н l„ В/п,

где: Кн - постоянная Холла; l_n - ток от источника питания; В - магнитная ин­дукция; h - толщина проводника (полу­проводника).

Из выражения следует, что величина напряжения U_H пропорциональна магнитной индукции В. Если магнитное поле В изменять с частотой, пропорциональной ско­рости движения автомобиля, то и частота изменения выходного напряжения U„ тоже будет пропорциональна скорости автомобиля. На практике магнитное поле создается неподвижным магнитом, а его изменение — специальным вращаю­щимся экраном с прорезями. При вращении экрана 1 его сегменты 2 и прорези 3 (рис. 1.12) поочередно проходят между магнитом 4 и датчиком Холла 5. Когда между магнитом и датчиком Холла проходит сегмент экрана (рис. 1.12,а), маг­нитное поле перекрывается и на выходе датчика напряжение минимально (U_Hmin). При прохождении между магнитом и датчиком Холла прорези экрана (рис. 1.12,6) на датчик поступает максимальный магнитный поток, и на выходенапряжение становится максимаг.оным (U..ma*)- Таким образом, при вращении экрана со скоростью, пропорциональ­ной скорости движения автомобиля, на выходе датчика Холла появляются им­пульсы напряжения U_H (рис. 1.12, в), частота следования которых пропор­циональна скорости автомобиля.

Устройство, работа. Автомоби­ли ВАЗ-2110, -2111, -2112, -11183 ИЖ-2126, ГАЗ-3110, -31105 оснащены электронными спидометрами. Прин цип действия электронных спидоме­тров основан на измерении частоты импульсов отдатчика скорости. Датчик скорости перечисленных автомобилей (кроме ВАЗ-11183) расположен на коробке передач и подсоединен к при­воду спидометра.

На автомобиле ВАЗ-11183 («Кали­на»') датчик скорости реагирует на про­хождение вблизи своего сердечника задающего кольца, установленного на коробке дифференциала (рис. 1.13). В соответствии с международными стандартами датчик вырабатывает 6000 прямоугольных импульсов за 1 км пути. Эти импульсы преобразуют­ся электронной схемой спидометра в электрический ток, измеряемый маг­нитоэлектрическим прибором, причем величина тока зависит от числа посту­пающих импульсов в единицу времени, т.е. будет пропорциональна скорости движения автомобиля. Кроме того, электронная схема путем «подсчета» по­ступающих импульсов обеспечивав! ра6о^гу шагово-'о электродвигателя, ко­торый вращает барабанчики счетчиков пройденного пути: итогового и суточного.

Система ABS.

Существует несколько причин для разработки сис­темы антиблокировки тормозов (anti-blok brakes-ABS). Если при торможении одно или более колес транспортного средства блокируется (начинает скользить), возникает ряд неприятных последствий:

♦ увеличивается тормозной путь;

♦ теряется контроль над рулем;

♦ ненормально изнашиваются шины.

Блокировка колес с большой вероятностью мо­жет привести к несчастному случаю. Наилучшее замедление транспортного средства достигается тогда, когда в тормозной системе имеет место мак­симальное преобразование кинетической энергии автомобиля в тепловую энергию на тормозных дисках и барабанах. Скользящая шина даже на су­хой дороге далеко не обеспечивает достижение предельного возможного потенциала этого про­цесса. Опытный водитель может сам подкачивать тормоза, нажимая и отпуская педаль, для предот­вращения блокировки тормозов, но электронный контроль позволяет достигнуть гораздо лучших результатов.

ABS становится все более обычной функцией даже на недорогих автомобилях, что должно стать существенным вкладом в безопасность автомо­бильного движения. Важно помнить, однако, что при нормальном движении система не предназ­начена для того, чтобы максимально быстрые раз­гоны сменялись максимально короткими тормо­жениями. Работа система должна рассматривать­ся как помощь только в критическом положении. На рис. 15.1 показано, как ABS может помочь в поддержании управляемости автомобиля даже при очень тяжелых условиях торможения.

Требования к ABS

Хороший способ проанализировать действие слож­ной системы состоит в том, чтобы задаться вопро­сом: «Что должна система быть в состоянии де­лать?» Другими словами, каковы требования к системе? Эти требования для ABS можно рассмот­реть в разделах со следующими заголовками.

Откатоустойчивдя система

В случае отказа системы ABS обычные тормоза дол­жны срабатывать на максимуме своих возможнос­тей. Кроме того, водитель должен получить пре­дупреждение об отказе. Предупреждение обычно реализуется с помощью простого индикатора.

Маневренность авомобиля должна быть сохранена

Послушность машины рулю и сцепление с доро­гой не должны исчезнуть при включении систе­мы ABS. Это, вероятно, ключевой вопрос, так как водителю важно быть в состоянии увернуться от опасности, хотя мощное торможение часто ока­зывается самым лучшим образом действия.

Реакция должна быть немедленной

Даже на коротком расстоянии система, должна ре­агировать так, чтобы лучше всего использовать сцепление с дорогой. Реакция должна быть адек­ватной независимо от того, нажимает ли водитель на тормоза метко иди нетерпеливо ударяет по ним что есть моЧн. -

Влияние на дяижеиие

Нормальное движение и маневрирование не дол­жны оказывать никакой реакции на педаль тормо­за. Устойчивость и послушность рулю должны быть сохранены при всех дорожных условиях. Си­стема должна также адаптироваться к гистерезису торможения, то есть режиму, когда тормоза нажи­мают, отпускают, а затем снова нажимают. Даже если колеса с одной стороны находятся, напри­мер, на сухом гудронированном шоссе, а с другой стороны - на льду, занос (вращение вокруг верти верти­кальной оси) транспортного средства должен быть сведен к минимуму, и если проявляться, то на­столько медленно, чтобы дать водителю возмож­ность его компенсировать.

Управляемые колеса

В общем случае, по крайней мере одно колесо на каждой стороне транспортного средства должно контролироваться по отдельной цели. Теперь это является общим принципом для всех четырех колес, которые на пассажирских автомобилях уп­равляются независимо друг от друга.

Работа широком диапазоне скоростей

Система должна работать при любом снижении скорости вплоть до прогулочной. На этой очень медленной скорости, даже когда колеса заблоки­рованы, транспортное средство придет в непод­вижное состояние очень быстро.

Прочие усломм работы

Система должна быть в состоянии распознать ак-вапланирование и реагировать соответственно. Она должна также оставаться работоспособной на не­ровной дорожной поверхности.

Есть еще одна область, в которой система пока несовершенна, - это торможение на медленной скорости по снегу. ABS фактически увеличивает тормозной путь по снегу, но направление руле­ния будет сохранено. Это, как полагают, является разумным обменом.

В эксплуатации находится множество различных типов систем антиблокировки тормозов, но все они пытаются Соответствовать изложенным выше тре­бованиям.

Общее описание системы

Как и в случае со всеми другими системами, ABS можно рассматривать как центральный блок уп­равления с рядом входов и выходов. Система ABS представлена блок-схемой системы управления с замкнутым контуром (рис: 15:2). Самые важные из входов - датчики скорости колеса, а главный выход - некоторая форма контроля давления в тор­мозной системы.

Задача блока управления состоит в том, чтобы .сравнить сигналы от каждого датчика колеса для измерения ускорения или замедления каждого из колес. По этим данным и заранее запрограмми­рованным справочным таблицам может регули­роваться тормозное давление в одном или боль­шем числе колес. Тормозное давление может быть уменьшено, поддерживаться постоянным или уве­личиваться. Максимальное давление определяет­ся давлением водителя на педаль тормоза.

Система во время работы использует или уп­равляет большим количеством разных парамет­ров, перечень которых приведен ниже.

Давление на педаль.

Определяется водителем.

Давление в тормовах

При нормальном торможении оно пропорциональ­но давлению педали, но под контролем ABS может быть уменьшено, сохранено или увеличено.

Регулируемый переменный параметр

Это, фактически, скорость колеса, по которой мож­но определить его ускорение, замедление или про­скальзывание, скорость зависит от изменения дав­ления в тормозных контурах.

Условия дороги/автомобиля

Система может учитывать нагрузку автомобиля, состояние дороги, состояние шин и условия фун­кционирования тормозной системы.

По сигналам датчиков скорости колеса ECU вы­числяет перечисленные ниже величины.

Относительная скорость транспортного средства

Относительная скорость определяется по комби­нации сигналов датчиков двух диагональных ко­лес. После начала торможения ECU использует это значение.

Ускорение или замедление колеса

Значения ускорения или замедления колеса по­стоянно изменяются.

Проскальзывание тормоза

Проскальзывание тормоза не может быть измере­но непосредственно, но его возможно Вычислить по относительной скорости транспортного сред­ства. Это значение далее используется, чтобы определить, когда ABS должна взять под свой кон­троль тормозное давление.

Замедление транспортного средства

В процессе управления тормозным давлением ECU использует относительную скорость транспортного средства в качестве отправной точки и задает ее ли­нейное уменьшение. Ускорение замедления опреде­ляется по сигналам, полученным от датчиков всех колес.

Ведущие и пассивные колеса на автомобиле нуж­но рассматривать по-разному, поскольку они ведут себя при торможении отлично друг от друга.

Логическая комбинация замедления/ускорения колес и скольжения используется как управляю­щая переменная. Фактическая стратегия, приме­няемая системой управления, изменяется в зави­симости от условий торможения.

Компоненты ABS

Разные изготовители включают в систему множе­ство различающихся компонентов. В большинстве систем, однако, существуют три главных компо­нента:

♦ датчики скорости колеса;

♦ электронный блок управления;

♦ гидравлический модулятор.

Датчики скорости колеса

Большинство датчиков скорости колес- простые индуктивные датчики, которые работают в комп­лексе с зубчатым колесом. Они состоят из постоян­ного магнита и стержня из мягкого железа, на кото­ром намотана катушка. Поскольку зубчатое колесо вращается, изменения в магнитном сопротивлении магнитной цели вызывают сигнал, частота и напря­жение которого пропорциональны скорости вра­щения колеса. Частота — сигнал, используемый электронным блоком управления. Сопротивление катушки около 1 кОм. Для ее соединения с блоком ECU используется коаксиальный кабель, чтобы предотвратить интерференцию, искажающую сиг­нал. Некоторые системы теперь используют датчи­ки с эффектом Холла (см. гл. 2). < ..

Электронный блок управления

Функция ECU (на рис. 15.3 показана часть ECU) состоит в том, чтобы получить информацию от датчиков колес й вычислить наилучший порядок действий для гидравлического модулятора. Серд­це современного ECU состоит из двух микропро­цессоров типа Motorola 68НО 1, которые работа­ют по одинаковой программе независимо друг от друга. Это гарантирует большую безопасность при любой ошибке, которая могла бы неблагоприятно повлиять на качество торможения, поэтому функ­ционирование каждого процессора должно быть идентичным. Если ошибка обнаружена, ABS от­ключается и загорается индикатор предупрежде­ния. Оба процессора имеют энергонезависимую' память, в которую могут быть записаны коды ошиб­ки (для последующей диагностики и обслужива­ния). ECU также имеет подходящие каскады об­работки входных сигналов и выход или мощные каскады для управления приводом модулятора.

ECU выполняет самопроверку после того, как включено зажигание. Отказ немедленно приво­дит к отключению системы. В списке перечисле­ны параметры самопроверки:

♦ ток от источника питания;

♦ внешние и внутренние интерфейсы;

♦ передача данных;

♦ связь между процессорами;

♦ операции клапанов и реле;

♦ операция контроля памяти ошибок;

♦ функции чтения и записи во внутреннюю память.

Все это занимает приблизительно 300 мс.

Гидравлический модулятор

Гидравлический модулятор, показанный на рис. 1S.4, имеет три рабочих положения:

♦ увеличение давления - тормозная магист­раль к главному цилиндру открывается;

♦ снижение давления - тормозная магистраль соединяется с аккумулятором тормозной жидкости;

♦ удержание давления - тормозная магистраль закрыта.

Клапанами управляют электрические соленои­ды, которые благодаря низкой индуктивности име­ют время реакции. Электродвигатель работа­ет только тогда, когда ABS активирована.

Управление тормозами системой ABS

Управление давлением с помощью ABS может быть сведено к некоторому числу фаз, описанных а раз­делах ниже.

Начало управления давлением торможения

Начало функционирования ABS известно как «первоначальный контроль цикла сглаживания». Эта стадия сглаживания необходима, чтобы не реагировать на незначительные возмущения типа неровной дорожной поверхности, которая может вызвать изменения в сигналах датчиков колес. Порог чувствительности является критической ве­личиной, так как если бы реакция системы была слишком быстрой, то это не понравилось бы во­дителю и вызвало нежелательный износ компо­нентов устройства. При слишком запоздалой реакции контроль над рулем и устойчивость ав­томобиля могли бы быть потеряны на первой фазе управления.

Упровлвние тормозами на ровном дорожной поверхности

При этих идеальных обстоятельствах степень сцеп­ления Почти постоянна. ABS в этих условиях ра­ботает лучше всего, частота регулирования отно­сительно низкая, с небольшими изменениями в давлении торможения.

Занос транспортного сродства (вращение «жрут вертикальной оси, отклоняющий момент)

При торможении на дорожной поверхности С раз­личным сцеплением под левыми и правыми коле­сами транспортное средство будет отклоняться от курса или начнет вращаться. Водитель может спра­виться с этим с помощью рулевого колеса, если у него* имеется достаточное время для маневра. Справиться с ситуацией можно и другим спосо­бом - снижением давления на другое переднее колесо в тот момент, когда переднее колесо с пло­хим сцеплением с дорогой становится нестабиль­ным. Это помогает уменьшить занос транспортно­го средства, что особенно важно, когда появляется значительный угол между транспортным сред­ством и осью дороги. •. . . •

Вибрация оси

На неровных дорогах часто и случайным образом имеет место неустойчивость скорости колеса. Из-за этой неустойчивости давление торможения имеет тенденцию в большей степени падать, чем расти, во время действия ABS. Это могло бы привести к по­тере торможения при определенных условиях. По­этому необходима адаптация системы к локальным условиям, чтобы преодолеть эту проблему Увеличе­ние давления торможения осуществляется легче в течение периода сильного роста ускорения колеса после момента нестабильности. В современных си­стемах мягкой подвески ось колёса может быть под­вержена вибрации. Эта вибрация может вызвать дополнительные наведенные сигналы от датчиков скорости колес. Обозначенные ускорения могут оказаться точно такими же, что и для фактических нестабильных условий торможения. Небольшая задержка реакции ABS, обусловленная задержкой в сглаживании сигнала, - время, потраченное на то, чтобы переместить клапаны управления. Запазды­вание в тормозных магистралях помогает умень­шать эффект вибрации оси. Регулярная частота ко­лебаний может быть опознана блоком управления. Когда обнаруживаются колебания оси, система ис­пользует постоянное давление торможения.'

Стратегия управления

Основные положения стратегии функционирова­ния системы антиблокировки тормозов могут быть суммированы следующим образом: '

♦ быстрое снижение давления в тормозах в мо­мент неустойчивости скорости.колеса, чтобы

. колесо могло быстро вернуться в режим уско­рения. При этом снижение давления незна­чительно, и режим торможения может быть снова восстановлен;

♦ быстрое Повышение давления торможения в период и после периода повторного уско­рения до давления чуть меньшего, чем дав­ление неустойчивого состояния;

♦ дискретное увеличение давления торможе­ния в случае увеличенного сцепления с до­рогой;

♦ выбор чувствительности, подходящей для пре­валирующих условий движения;

♦ торможение не должно быть инициировано системой антиблокировки в случае вибра­ции оси.

Применение этих пяти основных требований приводит к необходимости поиска компромисса между ними. Программирование процесса тор­можения и испытание опытных образцов позво­ляют уменьшить уровень компромисса, но с не­которыми неудобствами все равно приходится мириться, Очевидным примером этого является торможение по неровной земле в глубоком снегу, поскольку замедление здесь менее эффективно, если колеса не заблокированы: В этом примере приоритет отдается стабильности, а не тормозно­му пути, поскольку контроль направления дви­жения при таких обстоятельствах более предпоч­тителен.

Варианты системы ABS

В одном из нестандартных подходов к ABS исполь­зуется пружина и электтюдвигатель, чтобы создать условия торможения с уменьшением, удержанием или увеличением давления в тормозах. Потенци­альное преимущество этого технического приема состоит в том, что реакция системы получается ровной, а не пульсирующей. На рис. 1S.S показа­на компоновка системы с мотором и пружиной.

Активная подвеска Введение

Активная подвеска, как и многие другие новации, была создана в мире Гран При¹. Теперь она посте­пенно становится все более популярной при произ­водстве обычных транспортных средств. Интересно отметить, что по мере того как некоторые команды, принимавшие участие в гонках «Формула-1», совер­шенствовали подвеску, правила изменились (1993— 1994 гг.), чтобы предотвратить ее использование!

Обычные системы подвески - это всегда компро­мисс между мягкими пружинами для комфорта и более жестким подпружиниванием для лучшей ус­тойчивости движения на поворотах. Система под­вески должка выполнять четыре главных функции:

♦ поглощать удары от ухабов;

справляться с «нырянием» носовой • части при торможении;