Автомобильные мехатронные устройства

Автомобильный транспорт играет важную роль в обществе транспортной системе страны, хозяйстве. Автомобиль широко используется для подвоза грузов к железным дорогам, речным и морским причалам, обслуживания промышленных торговых предприятий, работников сельского хозяйства, обеспечивает перевозки пассажиров. На долю автомобильного транспорта приходится около половины пассажирских и грузоперевозок (рис. 12.1)

Рисунок 12.1 – Распределение транспортных перевозок

Прошло буквально сто с небольшим лет с момента появления первого автомобиля, а уже нет практически сферы деятельности, в которой бы он не использовался. Поэтому автомобильная промышленность в экономике развитых стран является сейчас ведущей отраслью машиностроения. На это есть причины:

- во-первых, людям с каждым днём требуется все больше и больше автомобилей для решения различных хозяйственных задач;

- во-вторых, эта промышленность является наукоемкой и высокотехнологичной. Она «тянет» за собой многие другие отрасли, предприятия которых выполняют ее многочисленные заказы. Инновации, внедряемые в автомобильной промышленности, неминуемо заставляют эти отрасли совершенствовать и свои производства. В силу того, что таких отраслей достаточно много, то в итоге наблюдается подъем всей промышленности, а, следовательно, и экономики в целом;

- в-третьих, автомобильная промышленность во всех развитых странах относится к числу наиболее прибыльных отраслей народного хозяйства, так как она способствует повышению товарооборота и приносит в казну государства немалые доходы за счет продажи на внутреннем, так и на мировом рынке;

- в-четвертых, автомобильная промышленность является стратегически важной отраслью. Развитие этой отрасли делает страну экономически сильной и потому более независимой. Широкое использование лучших образцов автомобильной техники в армии, бесспорно, повышает оборонную мощь страны.

Сейчас в автомобильной промышленности существует ряд тенденций, которые свидетельствуют о её важности и значении, а также смежных с ней отраслей в экономике промышленно развитых стран. Наблюдается совершенно новый подход к техническому развитию автомобиля, организации и технологии его производства. Научно-технические тенденции заключаются в уменьшении расхода топлива и снижении вредных выбросов, разработке сверхлегкого автомобиля, повышении безопасности, качества, надежности и долговечности, а также в развитии интеллектуальных автомобильно-дорожных систем.

Развитие мехатроники в автомобилях (рис. 12.2) и на производственных машинах имеет свои особенности. В автомобилях экспансия автоматики, а следовательно, и мехатроники, преимущественно началась в сфере устройств комфорта. Первым из мехатронных агрегатов, как это исторически повелось, там стал двигатель с системой топливоподачи и автоматикой её регулирования. Вторым – система силового управления навесным устройством (EHR), мировым лидером в производстве которой является фирма Bosch. Третьим – трансмиссия. Тут процесс начался с появления механических трансмиссий с переключением ступеней под нагрузкой. На них появились гидравлические, затем электрогидравлические устройства переключения, а затем и электронная автоматика управления переключениями. Западные фирмы (Германская ZF и другие) начали поставлять автомобильным заводам и производить на продажу трансмиссии в таком именно полном комплекте

Сила и выгода мехатронного исполнения агрегатов особенно ярко видна на примере трансмиссий, которые при наличии и отсутствии автоматики управления при одинаковых других компонентах комплекса являют разительный контраст в характеристиках как их самих, так и оборудованных ими автомобилей. В мехатронном виде они обеспечивают на порядок более выгодные характеристики практически по всем показателям работы машин: техническим, экономическим и эргономическим.

Сравнивая мехатронные комплексы с их не мехатронными прообразами по техническому совершенству легко увидеть, что первые значительно превосходят последних, не только по общим показателям, но и по уровню и качеству проектирования. Это не удивительно: синергический эффект проявляется не только в конечном продукте, но и в процессе проектирования вследствие и нового подхода к проектированию.

Рисунок 12.2 – Классификация мехатронных систем автомобиля

При управлении работой двигателя автомобиля применяют различные системы:

- AVCS (Active Valve Control System) - система регулировки фаз газораспределения на автомобилях Subaru изменяет высоту подъема клапанов в зависимости от мгновенной нагрузки двигателя. Common Rail (Nissan) - система впрыска, подающая топливо в цилиндры через общую магистраль под высоким давлением. Отличается рядом преимуществ, благодаря которым вождение приносит водителю больше удовольствия: для дизелей с Common Rail характерны одновременно отличная приемистость и низкий расход топлива, избавляющий от необходимости часто останавливаться на заправках.

- GDI - Gasoline Direct Injection, что можно перевести как "двигатель с непосредственным впрыском топлива", то есть, топливо на таком двигателе впрыскивается не во впускной коллектор, а прямо в цилиндры двигателя. M-Fire - система управления процессом сгорания - существенно снижается дымность отработавших газов и содержание в них окислов азота при одновременном увеличении мощности и снижении уровня шума.

- MIVEC (Mitsubishi) - оптимально управляет моментом открытия впускных клапанов в соответствии с условиями работы двигателя, что улучшает стабильность работы двигателя на холостом ходу, мощностные и моментные характеристики для всего рабочего диапазона.

- VTEC (Honda) - Система изменяемых фаз газораспределения. Применяются для улучшения характеристик крутящего момента в широком диапазоне оборотов, а также для улучшения экономичности и экологических характеристик двигателя. Также применяется на автомобилях Mazda.

- DPS - Dual Pump System - два маслянных насоса, соедиенные последовательно (т.е. друг за другом). При равной частоте вращения обоих масляных насосов имеет место "равномерная" циркуляция масла, т.е. отсутствуют области с повышенным и пониженным давлением (рис. 12.3).

Рисунок 12.3 – Dual Pump Sysytem

- Common rail (англ. общая магистраль) - современная технология систем подачи топлива в дизельных двигателях с прямым впрыском. В системе common rail насос нагнетает топливо под высоким давлением (250 - 1800 бар, в зависимости от режима работы двигателя) в общую топливную магистраль. Управляемые электроникой форсунки с электромагнитными или пьезоэлектрическими клапанами впрыскивают топливо в цилиндры. В зависимости от конструкции, форсунки производят от 2 до 5 впрысков за 1 такт. Точный расчет угла начала впрыска и количества впрыскиваемого топлива позволяют дизельным двигателям выполнить возросшие экологические и экономические требования. Кроме того дизельные двигатели с системой common rail по своим мощностным и динамическим характеристикам вплотную приблизились, а в некоторых случаях превзошли бензиновые двигатели.

Выделяют различные типы мехатронного устройства трансмиссий:

- CVT - автоматическая трансмиссия с вариатором. Представляет собой механизм с диапазоном перемены передаточного числа большим, чем у 5-ступенчатой механической КПП.

- DAC - Downhill Assist Control - система контролирует поведение машины на крутых спусках. На колесах установлены датчики, которые замеряют скорость вращения колес и постоянно сопоставляют ее со скоростью автомобиля. Анализируя полученные данные, электроника вовремя подтормаживает передние колеса до скорости порядка 5 км/ч.

- DDS - Downhill Drive Support – система контроля движения в автомобилях марки Nissan на крутых спусках. DDS автоматически поддерживает скорость 7 км/ч при спуске, не позволяя колесам заблокироваться.

- Drive Select 4x4 - привод на все колеса можно включить и выключить на ходу на скорости до 100 км/ч.

- TSA (Trailer Stability Assist) - система стабилизации автомобиля во время движения с прицепом. При потере устойчивости автомобиль, как правило, начинает болтать по дороге. В этом случае TSA подтормаживает колеса "по диагонали" (переднее левое - заднее правое или переднее правое - заднее левое) в противофазу колебаниям, одновременно снижая скорость машины путем уменьшения подачи топлива в двигатель. Используется на автомобилях марки Honda.

- Easy Select 4WD - система полного привода, широко применяемая в автомобилях Mitsubishi, позволяет менять 2WD на 4WD, и наоборот, во время движения машины.

- Grade Logic Control - система «умного» выбора передач, обеспечивает равномерную тягу, что особенно важно при подъеме в гору.

- Hypertronic CVТ-M6 (Nissan) - обеспечивают плавное, бесступенчатое ускорение без рывков, характерных для традиционных автоматов. К тому же они более экономичны, чем традиционные автоматические коробки передач. CVT -М6 предназначен для водителей, которые хотят совместить преимущества автоматической и механической коробок передач водной. Переведя рычаг переключения передач в дальнюю от водителя прорезь, Вы получаете возможность переключать шесть передач с фиксированными передаточными числами.

- INVECS-II - адаптивный автомат (Mitsubishi) - автоматическая трансмиссия со спортивным режимом и возможностью механического управления.

- EBA - электронная система управления давлением в гидравлической системе тормозов, которая в случае необходимости экстренного торможения и недостаточного при этом усилия на педали тормоза самостоятельно повышает давление в тормозной магистрали, делая это во много раз быстрее человека. А система EBD равномерно распределяет тормозные усилия и работает в комплекте с ABS - антиблокировочной системой.

- ESP+ - противозаносная система стабилизации ESP - наиболее сложная система с задействованием возможностей антиблокировочной, антипробуксовочной с контролем тяги и электронной систем управления дроссельной заслонкой. Контрольный блок получает информацию с датчиков углового ускорения автомобиля, угла поворота рулевого колеса, информацию о скорости автомобиля и вращении каждого из колес. Система анализирует эти данные и рассчитывает траекторию движения, а в случае, если в поворотах или маневрах реальная скорость не совпадает с расчетной и автомобиль "выносит" наружу или внутрь поворота, корректирует траекторию движения, подтормаживая колеса и снижая тягу двигателя.

- HAC - Hill-start Assist Control - система контролирует поведение машины на крутых подъемах. HAC не только предотвращает пробуксовку колес при начале движения вверх по скользкому склону, но и способна предотвратить скатывание назад, если скорость автомобиля слишком мала и он скользит вниз под тяжестью кузова.

- Нill Holder - с помощью этого устройства автомобиль удерживается на тормозах даже после того, как педаль тормоза отпущена, отключается Нill Holder только после того, как отпускается педаль сцепления. Предназначен для начала движения в горку.

- AIRMATIC Dual Control – активная воздушная подвеска с электронной регулировкой и адаптивной системой демпфирования ADS II работает полностью в автоматическом режиме (рис. 12.4). По сравнению с традиционной стальной подвеской она значительно улучшает комфорт и безопасность движения. AIRMATIC DC работает с воздушными подушками, которые электроника в зависимости от дорожной ситуации делает жестче или мягче. Если датчики, например, определили спортивный стиль движения, комфортная в нормальном режиме воздушная подвеска автоматически становится жестче. Подвеску и характер демпфирования можно настроить на спортивный или комфортный режим также и вручную с помощью переключателя.

Электроника работает с четырьмя разными режимами демпфирования (ADS II), которые адаптируются автоматически на каждом колесе под состояние дороги. Таким образом, автомобиль даже на плохой дороге катится мягко без ущерба для стабильности.

Рисунок 12.4 – AIRMATIC Dual Control

Система оснащена также функцией регулировки уровня автомобиля. Она обеспечивает даже на загруженном автомобиле почти постоянный дорожный просвет, что придает автомобилю стабильность. При движении на высокой скорости автомобиль может автоматически опускаться, чтобы уменьшить наклоны кузова. При скорости свыше 140 км/час автомобиль автоматически опускается на 15 мм, а при скорости ниже 70 км/час нормальный уровень снова восстанавливается. Кроме того, для плохой дороги имеется возможность вручную поднять автомобиль на 25 мм. При продолжительном движении со скоростью около 80 км/час или при превышении скорости 120 км/час автоматически снова восстанавливается нормальный уровень.

Также в автомобилях используются различные тормозные системы, используемые для значительного сокращения тормозного пути, грамотной интерпретации поведения водителя во время торможения, активации максимального тормозного усилия в случае распознавания экстренного торможения.

- Тормозной ассистент (BAS), устанавливаемый серийно на всех легковых автомобилях Mercedes-Benz, интерпретирует поведение водителя во время торможения и в случае распознавания экстренного торможения создает максимальное тормозное усилие, если водитель сам недостаточно нажимает на педаль тормоза. Разработка тормозного ассистента основывается на данных, которые получил отдел Mercedes-Benz по изучению аварий: в критичной ситуации водители нажимают на педаль тормоза быстро, но недостаточно сильно. В этом случае тормозной ассистент сможет эффективно поддержать водителя.

Для лучшего понимания сделаем краткий обзор техники современных тормозных систем: тормозной усилитель, который усиливает давление создаваемое ногой водителя, состоит из двух камер, которые разделены между собой с помощью подвижной мембраны. Если торможение не производится, то в обеих камерах находится вакуум. Благодаря нажатию на педаль тормоза в тормозном усилителе открывается механический управляющий клапан, который перепускает воздух в заднюю камеру и изменяет соотношение давление в двух камерах. Максимум усилия создается, когда во второй камере царит атмосферное давление. В тормозном ассистенте (BAS)так называемый датчик движения мембраны определяет, является ли торможение экстремальным. Он определяет движение мембраны между камерами и передает значение в блок управления BAS. Сравнивая постоянно значения микрокомпьютер распознает момент, когда скорость нажатия на педаль тормоза (ровна скорости передвижения мембраны в тормозном усилителе) превышает стандартное значение - это и является экстренным торможением. В этом случае система активирует магнитный клапан, через который мгновенно наполняется воздухом задняя камера и создается максимальное тормозное усилие. Несмотря на такое автоматическое полное торможение колеса не блокируются, потому что известная антиблокировочная система ABS дозирует тормозное усилие, оптимально удерживая его на грани блокировки, сохраняя благодаря этому управляемость автомобиля. Если водитель убирает ногу с педали тормоза, то специальный датчик срабатывания закрывает магнитный клапан и автоматическое усиление тормоза отключается.

Рисунок 12.6 – Тормозной ассистент (BAS) Мерседес

- Антиблокировочная система (АБС) (нем. antiblockiersystem англ. Anti-lock Brake System (ABS)) - система, предотвращающая блокировку колёс транспортного средства при торможении. Основное предназначение системы состоит в том, чтобы уменьшить тормозной путь и обеспечить управляемость транспортного средства в процессе резкого торможения, и исключить вероятность его неконтролируемого скольжения.

АБС состоит из следующих основных компонентов:

Датчики скорости либо ускорения (замедления) установленные на ступицах колёс транспортного средства.

Управляющие клапаны, которые являются элементами модулятора давления, установленные в магистрали основной тормозной системы.

Блок управления, получающий сигналы от датчиков, и управляющий работой клапанов.

После начала торможения АБС начинает постоянное и достаточно точное определение скорости вращения каждого колеса. В том случае, если какое-то колесо начинает вращаться существенно медленнее остальных (что означает, что колесо близко к блокировке), клапан в тормозной магистрали ограничивает тормозное усилие на этом колесе. Как только колесо начинает вращаться быстрее остальных, тормозное усилие восстанавливается.

Этот процесс повторяется несколько раз (или несколько десятков раз) в секунду, и как правило приводит к заметной пульсации тормозной педали. Тормозное усилие может ограничиваться как во всей тормозной системе одновременно (одноканальная АБС), так и в тормозной системе борта (двухканальная АБС) или даже отдельного колеса (многоканальная АБС). Одноканальные системы обеспечивают довольно эффективное замедление, но только в том случае если условия сцепления всех колёс более или менее одинаковы. Многоканальные системы дороже и сложнее одноканальных, но имеют большую эффективность при торможении на неоднородных покрытиях, если, например, при торможении одно или несколько колёс попали на лёд, мокрый участок дороги, или обочину.

Широкое распространение в современных автомобилях получают системы управления и навигации.

- Ситема DISTRONIC – осуществялет электронное регулирование расстояние до впереди идущего автомобиля с помощью радара, простое управление с помощью рычажка TEMPOMAT, обеспечивает дополнительный комфорт на автобанах и аналогичных дорогах, поддерживается рабочее состояние водителя.

Регулятор расстояния DISTRONIC поддерживает необходимо расстояние до впереди идущего автомобиля. Если расстояние уменьшается, то активируется тормозная система. Если впереди не едет ни один автомобиль, то DISTRONIC поддерживает установленную водителем скорость. DISTRONIC предоставляет для движения по автобану и аналогичным дорогам дополнительный комфорт. Микрокомпьютер обрабатывает на скорости от 30 до 180 км/час сигналы радара, который установлен за решеткой радиатора. Импульсы радара отражаются от впереди идущего автомобиля, обрабатываются и на основании этой информации рассчитывается расстояние до переднего автомобиля и его скорость. Если автомобиль Mercedes-Benz с системой DISTRONIC приближается слишком сильно к переднему автомобилю, то DISTRONIC автоматически уменьшает газ и активирует тормоз, чтобы поддержать заданное расстояние. Если тормозить необходимо сильно, то водитель информируется об этом с помощью акустического сигнала и предостерегающей лампочки - это значит, что водитель должен нажать на педаль тормоза сам. Если расстояние увеличивается, то DISTRONIC снова обеспечивает необходимое расстояние и ускоряет автомобиль до заданной скорости. DISTRONIC является дальнейшим развитием серийной функции TEMPOMAT с переменным ограничением скорости движения SPEEDTRONIC

Рисунок 12.7 – Система управления и навигации

Компания Mercedes-Benz представила первую мехатронную пневматическую подвеску AIR-matic с системой регулирования амортизаторов ADS в стандартной комплектации седанов S-класса.

В системе AIR-matic стойка седана S-класса содержит в себе пневматический упругий элемент: роль привычных нам пружин здесь выполняет сжатый воздух, заключенный под резинокордной оболочкой. Еще в стойке имеется амортизатор с необычной «пристройкой» сбоку. Естественно, в автомобиле предусмотрена полноценная пневмосистема (компрессор, ресивер, магистрали, клапанные устройства). А еще – сеть датчиков и, конечно же, процессор. Как система работает. По команде процессора клапаны открывают доступ воздуха из пневмосистемы в упругие элементы (либо стравливают воздух оттуда). Таким образом меняется уровень пола кузова: в систему заложена его зависимость от скорости движения автомобиля. Водитель также может «проявить волю» – приподнять автомобиль, скажем, для переезда значительных неровностей.

ADS выполняет более «тонкую» работу – управляет амортизаторами. При ходе штока амортизатора часть жидкости перетекает не только через клапаны в поршне, но и через ту самую «пристройку», внутри которой исполнительное устройсво – система клапанов, обеспечивающая четыре возможных режима работы амортизатора. На основании поступающей от датчиков информации и в соответствии с выбранным водителем алгоритмом («спортивный» либо «комфортный») процессор выбирает для каждого амортизатора режим, наиболее соответствующий «текущему моменту», и посылает команды на исполнительные устройства.

Современные автомобили оснащаются системой климат-контроля. Данная система предназначена для создания и автоматического поддержания микроклимата в салоне автомобиля. Система обеспечивает совместную работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования за счет электронного управления.

Применение электроники позволило добиться зонального регулирования климата в салоне автомобиля. В зависимости от числа температурных зон различают следующие системы климат-контроля:

· однозонный климат-контроль;

· двухзонный климат-контроль;

· трехзонный климат-контроль;

· четырехзонный климат-контроль.

Система климат-контроля имеет следующее общее устройство:

· климатическая установка;

· система управления.

Климатическая установка включает конструктивные элементы систем отопления, вентиляции и кондиционирования, в том числе:

· радиатор отопителя;

· вентилятор приточного воздуха;

· кондиционер, состоящий из испарителя, компрессора, конденсатора и ресивера.

Основными элементами системы управления климатом являются:

· входные датчики;

· блок управления;

· исполнительные устройства.

Входные датчики измеряют соответствующие физические параметры и преобразуют их в электрические сигналы. К входным датчикам системы управления относятся:

· датчик температуры наружного воздуха;

· датчик уровня солнечного излучения (фотодиод);

· датчики выходной температуры;

· потенциометры заслонок;

· датчик температуры испарителя;

· датчик давления в системе кондиционирования.

Количество датчиков выходной температуры определяется конструкцией системы климат-контроля. К датчику выходной температуры может быть добавлен датчик выходной температуры в ножное пространство. В двухзонной системе климат-контроля число датчиков выходной температуры удваивается (датчики слева и справа), а в трехзонной – утраивается (слева, справа и сзади).

Потенциометры заслонок фиксируют текущее положение воздушных заслонок. Датчики температуры испарителя и давления обеспечивают работу системы кондиционирования. Электронный блок управления принимает сигналы от датчиков и в соответствии с заложенной программой формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства.

К исполнительным устройствам относятся приводы заслонок и электродвигатель вентилятора приточного воздуха, с помощью которых создается и поддерживается заданный температурный режим. Заслонки могут иметь механический или электрический привод. В конструкции климатической установки могут применяться следующие заслонки:

· заслонка приточного воздуха;

· центральная заслонка;

· заслонки температурного регулирования (в системах с 2-мя и более зонами регулирования);

· заслонка рециркуляции;

· заслонки для оттаивания стекол.

Система климат-контроля обеспечивает автоматическое регулирование температуры в салоне автомобиля в пределах 16-30 °С.

Желаемое значение температуры устанавливается с помощью регуляторов на панели приборов автомобиля. Сигнал от регулятора поступает в электронный блок управления, где активируется соответствующая программа. В соответствии с установленным алгоритмом блок управления обрабатывает сигналы входных датчиков и задействует необходимее исполнительные устройства. При необходимости включается кондиционер.

Современный автомобиль является источником повышенной опасности. Неуклонный рост мощности и скорости автомобиля, плотности движения автомобильных потоков значительно увеличивают вероятность аварийной ситуации.

Для защиты пассажиров при аварии активно разрабатываются и внедряются технические устройства безопасности. В конце 50-х годов прошлого века появились ремни безопасности, предназначенные для удержания пассажиров на своих местах при столкновении. В начале 80-х годов были применены подушки безопасности.

Совокупность конструктивных элементов, применяемых для защиты пассажиров от травм при аварии, составляет систему пассивной безопасности автомобиля. Система должна обеспечивать защиту не только пассажиров и конкретного автомобиля, но и других участников дорожного движения.

Важнейшими компонентами системы пассивной безопасности автомобиля являются:

· ремни безопасности;

· натяжители ремней безопасности;

· активные подголовники;

· подушки безопасности;

· кузов автомобиля, устойчивый к деформации;

· аварийный размыкатель аккумуляторной батареи;

· ряд других устройств (система защиты при опрокидывании на кабриолете; детские системы безопасности - крепления, кресла, ремни безопасности).

Современная система пассивной безопасности автомобиля имеет электронное управление, обеспечивающее эффективное взаимодействие большинства компонентов.

Система управления включает:

· входные датчики;

· блок управления;

· исполнительные устройства компонентов системы.

Входные датчики фиксируют параметры, при которых возникает аварийная ситуация, и преобразуют их в электрические сигналы. К входным датчикам оносятся:

· датчик удара;

· выключатель замка ремня безопасности;

· датчик занятости сидения переднего пассажира;

· датчик положения сидения водителя и переднего пассажира.

На каждую из сторон автомобиля устанавливается, как правило, по два датчика удара. Они обеспечивают работу соответствующих подушек безопасности. В задней части датчики удара применяются при оборудовании автомобиля активными подголовниками с электрическим приводом. Выключатель замка ремня безопасности фиксирует использование ремня безопасности.

Датчик занятости сидения переднего пассажира позволяет в случае аварийной ситуации и отсутствии на переднем сидении пассажира сохранить соответствующую подушку безопасности.

В зависимости от положениясидения водителя и переднего пассажира, которое фиксируется соответствующими датчиками, изменяется порядок и интенсивность применения компонентов системы.

На основании сравнения сигналов датчиков с контрольными параметрами блок управления распознает наступление аварийной ситуации и активизирует необходимые исполнительные устройства элементов системы.

Исполнительным устройствами элементов системы пассивной безопасности являются:

· пиропатрон подушки безопасности;

· пиропатрон натяжителя ремня безопасности;

· пиропатрон (реле) аварийного размыкателя аккумуляторной батареи;

· пиропатрон механизма привода активных подголовников (при использовании подголовников с электрическим приводом);

· контрольная лампа, сигнализирующая о непристегнутых ремнях безопасности.

Активизация исполнительных устройств производится в определенном сочетании в соответствии с заложенным программным обеспечением.

ISOFIX - Изофикс- cистема крепления детских кресел. Внешне детские кресла с этой системой отличаются двумя компактными замками, расположенными на задней части салазок. Замки захватывают шестимиллиметровый пруток, спрятанный за заглушками в основании спинки сиденья.