Электрооборудование автомобиля

1.9.1. Основные требования к электрооборудованию

Электроника и электрооборудование транспортных и транспортно - технологических машин – это совокупность электротехнических и электронных систем, приборов и устройств, обеспечивающих надежное функционирование двигателя, трансмиссии и ходовой части, безопасность движения, автоматизацию рабочих процессов машины и комфортные условия для водителя и пассажиров, если таковые имеются на данном транспортном средстве.

Электроника и электрооборудование включают в себя системы и устройства:

электроснабжения;

электростартерного пуска двигателя;

освещения, световой и звуковой сигнализации;

электронные системы управления агрегатами;

информации и контроля технического состояния транспортного или транспортно – технологического средства и его агрегатов;

электропривода;

коммутационные, защитные и электропроводку;

дополнительное оборудование;

В систему электроснабжения входят генераторная установка и аккумуляторная батарея. К системе электростартерного пуска относят аккумуляторную батарею, электростартер, реле управления (дополнительныё реле и реле блокировки) и электротехнические устройства для облегчения пуска двигателя. Система зажигания обеспечивает воспламенение рабочей смеси в цилиндрах бензинового двигателя искрой высокого напряжения, возникающей между электродами свечи зажигания. Помимо свечей, к системе зажигания относятся катушка зажигания, прерыватель-распределитель, датчик-распределитель ко, транзисторный коммутатор, добавочный резистор, высоковольтные провода, наконечники и т.д. Система освещения и световой сигнализации объединяет осветительные приборы (фары головного освещения), светосигнальные фонари (габаритные огни, указатели поворота, стоп-сигналы; фонари заднего хода и др.) и различные реле управления ими. Система информации и контроля включает в себя датчики и указатели давления, температуры, уровня топлива в баке, спидометр, тахометр, сигнальные (контрольные) лампы и пр. Электропривод (электродвигатели, моторедукторы, мотонасосы) находит все большее применение в системах стеклоочистки, отопления, вентиляции, предпускового подогрева двигателя, подъема и опускания антенны, блокировки дверей и в стеклоподъемниках. Используется разнообразная коммутационная и защитная аппаратура: выключатели, переключатели, реле различного назначения, контакторы, предохранители и блоки предохранителей, соединительные панели и разъемные соединения. Развитие электрооборудования автомобилей тесно связано с широким применением электроники и микропроцессоров, обеспечивающих автоматизацию и оптимизацию рабочих процессов, большую безопасность движения, снижение токсичности отработавших газов и улучшение условий работы водителей.

Мощность потребителей электроэнергии и число электроприемников на автомобилях и других транспортных и транспортно – технологических машинах постоянно увеличиваются. Соответственно, возрастает мощность источников электрической энергии. На смену прежнему электрооборудованию приходят новые, более сложные по конструкции и схемным решениям электрические и электронные изделия и системы. От технического состояния электрооборудования во многом зависит эксплуатационная надежность и производительность транспортного средства (машины).

Условия работы электрооборудования зависят от климатических условий,,эксплуатации и места установки на борту. Изделия электрооборудования выпускаются в климатических исполнениях: У (для умеренного климата), ХЛ (для холодного климата), О (общеклиматическое исполнение), Т (тропическое исполнение). Исполнения типа У-ХЛ, У-Т и т.д. допускают возможность эксплуатации электрооборудования в разных климатических зонах. Автомобили импортного производства имеют аналогичную классификацию, для простоты в дальнейшем будет применяться вышеприведенная отечественная.

1.9.2. Система электроснабжения и пуска двигателя

Генераторные установки. Генераторная установка состоит из электрогенератора и регулятора напряжения. Они, вместе с элементами контроля работоспособности и защиты от возможных аварийный режимов и аккумулятором, образуют систему электроснабжения машины. Генераторная установка обеспечивает питание потребителей электроэнергии, включенных в бортовую сеть, и заряжает его аккумуляторную батарею при работающем двигателе. Даже на холостом ходу двигателя генератор должен развивать мощность, достаточную для электропитания наиболее важных потребителей. В мировой практике генераторные установки на холостом ходу двигателя развивают 40-50% от номинальной мощности. Напряжение в бортовой сети машины должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя. Стабильность напряжения, обеспечиваемая работой регулятора, является непременным условием надежной работы аккумуляторной батареи и других потребителей. Превышение напряжения сверх допустимых пределов служит причиной перезаряда аккумуляторной батареи с последующим выходом ее из строя, пониженное напряжение вызывает невозможность заряда батареи. Увеличение напряжения на 10% сверх номинального снижает срок службы ламп примерно на 50%.Генераторные установки рассчитаны на номинальное напряжение 14 и 28 В. Напряжение 28 В характерно для грузовых автомобилей с дизельным двигателем. Однако на дизельных автомобилях, например, на автомобилях ЗИЛ 5301 (“Бычок”), ЗИЛ 4331, ЗИЛ 133ГЯ возможна и двухуровневая система: 14 В непосредственно на генераторе для электроснабжения основных потребителей, 28 В - на выходе трансформаторно-выпрямительного блока для подзарядки аккумуляторной батареи.

Генераторные установки выполняются по однопроводной схеме, в которой с корпусом соединен отрицательный полюс. Системой отечественной нормативной документации предусматривается изготовление установок и по двухпроводной схеме, но практически такое исполнение не реализуется.

Принцип действия вентильного генератора. Преобразование механической энергии, которую генератор получает от двигателя внутреннего сгорания через ременную передачу, в электрическую происходит, как и в любом генераторе, в соответствии с явлением электромагнитной индукции. Суть явления состоит в том, что, если изменять магнитный поток, пронизывающий катушку, витки которой выполнены из проводящего материала, например, медного провода, то на выводах катушки появляется электрическое напряжение, равное произведению числа ее, витков на скорость изменения магнитного потока. Совокупность таких катушек образует в. генераторе обмотку статора. Возможны два варианта изменения магнитного потока: по величине и направлению, что обеспечивается в щеточной конструкции вентильного генератора, или только по величине, что характерно для индукторного бесщеточного генератора. Для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Эта катушка образует обмотку возбуждения. Сталь, в отличие от воздуха, хорошо проводит магнитный поток. Поэтому основные узлы генератора, в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую, состоят из стальных участков и обмоток, в которых создается магнитный поток при протекании в них электрического тока (обмотка возбуждения), и возникает электродвижущая сила (ЭДС) при изменении этого потока в обмотке статора,уложенной в пазы неподвижного магнитопровода. Обмотка возбуждения с полюсами,контактными кольцами и валом образуют ротор генератора-его вращающююся часть. Общий вид генератора показан на рис.16.-

Рис. 16

это генератор компактной конструкции фирмы Бош, 1, 8 - крышки, 2 –статор, 3 –ротор, 4 – регулятор напряжения, 5 – контактные кольца, 6 – выпрямитель, 7 и 9 – вентиля

Устройство аккумуляторной батареи. Различные типы стартерных аккумуляторных батарей, имеют свои конструктивные особенности, однако в их устройстве много общего. По конструктивно-функциональному признаку выделяют батареи: обычной конструкции - в моноблоке с ячеечными крышками и межэлементными перемычками над крышками; батареи в моноблоке с общей крышкой и межэлементными перемычками под крышкой; батареи необслуживаемые - с общей крышкой, не требующие ухода в эксплуатации.

Свинцовый аккумулятор, как обратимый химический источник тока, состоит из блока разноименных электродов, помещенных в сосуд, заполненный электролитом. Стартерная батарея в зависимости от требуемого напряжения содержит несколько последовательно соединенных аккумуляторов. В стартерных батареях собранные в полублоки (рис.17), положительные и отрицательные пластины аккумуляторов размещены в отдельных ячейках моноблока.

Рис. 17

Разнополярные пластины 9 и 10 в блоках разделены сепараторами 8. Батареи обычной конструкции выполнены в моноблоке (корпусе) 1 с крышкой 2. Заливочные отверстия 7 в крышках закрыты пробками 6. Межэлементные перемычки 4 расположены над крышками. В качестве токоотводов предусмотрены полюсные выводы 3 и 5. Кроме того, в батарее может быть размещен предохранительный щиток. В конструкции батареи предусматривают и дополнительные крепежные детали.

Мультиплексирование. Усложнение бортовой сети современного транспортного или транспортно – технологического средства или машины, увеличение количества исполнительных и управляющих устройств, всевозможных датчиков, контроллеров и, как следствие, объемов информационного обмена между ними привело к необходимости создания новой высокотехнологичной коммуникационной сети. Ею стала CAN-шина, пришедшая на смену менее производительным К- и L-линиям.

Предварительно введем некоторые необходимые определения, которые помогут разобраться в специфических вопросах функционирования бортовых компьютерных систем. По сути дела речь пойдет о локальной сети, объединяющей абонентов, расположенных на ограниченном пространстве объекта – грузового или легкового автомобиля или иного транспортного средства. Абонент – это часть интерфейсной системы (сети), реализующая протокол системы. Под интерфейсом будем понимать совокупность правил обмена данными и требований к средствам, обеспечивающим взаимодействие компонентов в системе. Интерфейс также определяется как средство стандартного сопряжения. Важным является понятие протокола как совокупности правил и форматов, определяющей взаимодействие абонентов системы.

Для дальнейшего изложения нам потребуется также знакомство с такими понятиями как арбитраж – процедура определения устройства с наивысшим приоритетом. Соответственно, арбитр – это устройство или схема, определяющая приоритет на получение ресурсов интерфейса. По направлению обмена информацией интерфейсы могут быть:

симплексными – передача в одном направлении,

полудуплексными – поочередная передача в двух направлениях

дуплексными – одновременная передача в двух направлениях,

мультиплексными – обмен реализуется с помощью общей магистрали (шины), в которой в каждый момент времени взаимодействуют источник и приемник информации.

Шина – это группа сигнальных линий (пучок линий), по которым передают сигналы одинакового функционального назначения. В микропроцессорных системах для последовательного обмена информацией между микропроцессором и терминалом используют большую интегральную схему(БИС),которую называют программируемым последовательным интерфейсом (ППИ).Обычно ППИ содержит передатчик (transmitter) и приемник (receiver). Передатчик получает от микропроцессора по шине данных данные в параллельном коде и передает их последовательно по линии в терминал. Приемник получает от терминала по линии данные в последовательном коде, преобразовывает и в параллельные слова и пересылает их по шине данных в микропроцессор. Передатчик и приемник иногда называют приемопередатчик (tranciever).

Сложность транспортных мультимедийных и информационных систем постоянно растет, уже сейчас применяется спутниковая навигация, DVD, телевидение, Интернет, цифровое вещание в основном на автомобилях и т.д. Ведущие автопроизводители объединились и разработали систему MOST (Media Oriented Systems Transport) в которой используются оптоволоконные линии связи, соединяющие между собой информационно – развлекательные устройства в кольцо. Так как скорости передачи данных в сетях LIN, CAN, MOST различны приходится применять специальные преобразователи, так называемые шлюзы, которые осуществляют сортировку данных.Так один общий сканер кодов неисправностей может считывать коды из всех сетей автомобиля, объединенных шлюзом.

Для мобильной радиосвязи с целью стандартизации была разработана универсальная технология беспроводной связи разнотипных микропроцессорных устройств локальной сети Bluetooth, работающая в диапазоне 2,4 ГГц. Эта система позволяет обеспечить достаточно надежную связь в радиусе 10 метров.

Сегодня уже можно с полной уверенностью сказать, что CAN-шина — один из важнейших составных элементов бортовой электроники современного автомобиля. Обмен данными по ней осуществляется практически на всех новых автомобилях Все началось примерно около 20 лет назад, когда компаниями BOSCH и INTEL был разработан сетевой интерфейс CAN (Controller Area Network)-сеть контроллеров- для создания бортовых мультипроцессорных систем реального времени. Последняя спецификация интерфейса 2.0, разработанная фирмой BOSCH в 1992 г., является дополнением предыдущей версии
CAN-шина — это двухпроводная, последовательная, асинхронная шина с равноправными узлами и подавлением синфазных помех, с хорошим соотношением «цена/производительность». Первое применение коммуникация нашла в промышленных и индустриальных сетях и хорошо себя зарекомендовала, после чего перешла в автомобилестроение. Это было не удивительно, ведь CAN характеризуется высокой скоростью передачи, высокой помехоустойчивостью и способностью обнаруживать любые возникающие ошибки. CAN оказалась идеальным решением для любого приложения, где микроконтроллеры обмениваются сообщениями друг с другом и с удаленными периферийными устройствами.
CAN — это фактически локальная компьютерных сеть, но только в несколько сокращенном виде.,т.к некоторые функции ей не нужны— во главу угла прежде всего ставится высокая скорость и помехозащищенность. Благодаря тому, что CAN с успехом решает поставленные задачи, многие автопроизводители встраивают топологию CAN уже на этапе разработки автомобиля в конструкторском бюро.. Новый вазовский контроллер ВOSCH М 7.9.7 имеет функции CAN, т. е. при желании в «Ладе» можно наладить CAN-коммуникацию, но толку от нее нет, поскольку в наших автомобилях всего один контроллер — все широкие возможности передовой системы будут просто-напросто не востребованы.. В 1992 г. всеми заинтересованными пользователями и производителями CAN было основано международное сообщество CAN in Automation (сокращенно CiA), а в ноябре 1993 г. CAN-сети был присвоен стандарт Международной организации по стандартизации ISO 11898. и полной универсализации он приобрел следующий вид и теперь состоит из нескольких частей: стандарт ISO 11898-1 описывается как «уровень она уже не удовлетворяла предъявляемым

Пуск двигателя. Для пуска двигателя обычно используется электрический стартер, представляющий собой электродвигатель постоянного тока. Стартер подключается к аккумуляторной батарее и развивает мощность, достаточную для запуска двигателя В момент пуска якорь стартера пропускает через себя фактически ток короткого замыкания, т.к. противоЭДС двигателя равна нулю,а сопротивление якоря мало. Это предъявляет очень высокие требования к аккумулятору, который кратковременно должен отдать ток порядка 300,400 и более ампер. Отсюда название аккумулятора – стартерный. Обычно стартер для получения значительного момента при пуске выполняется с последовательным или смешанным возбуждением. Зависимость момента вращения от частоты для электродвигателя стартера (механическая характеристика) показана на рис.18, где 1- характеристика стартера с последовательным возбуждением, 2 – со смешанным возбуждением.

Рис. 18

Схема включения стартера показана на рис.19 Пуск двигателя осуществляется путем поворота ключа зажигания S и установки его в положение включения стартера 12. При этом ток от аккумуляторной батареи GB идет через втягивающую обмотку тягового реле 3, обмотку якоря, через обе обмотки возбуждения стартера. Одновременно ток идет и через удерживающую обмотку тягового реле 4,сердечник реле 5 втягивается, передвигает шток 6 и через рычаг привода 7 и поводковую муфту 8 вводит шестерню привода 10 в зацепление с зубчатым венцом маховика 11. При дальнейшем ходе сердечника тягового реле подвижный контактный диск 2 замыкает контактные болты 1 и ток от батареи напрямую подается на якорь и обмотки стартера – стартер запускает двигатель автомобиля. В процессе запуска втягивающая обмотка тягового реле оказывается зашунтированной контактным диском, но реле остается втянутым, его удерживает в этом положении удерживающая обмотка 4. Как только двигатель начнет работать(запустится) муфта свободного хода 9 расцепится и тем самым предохранит электродвигатель стартера от разноса. Когда ключ S размыкается через контакты 1 пойдет ток по обеим обмоткам последовательно, реле размагнитится и отпустит, при этом контакты 1 разомкнутся – пуск завершен.

На рис.20 приведены наиболее распространенные схемы управления стартером, на рис.20 а показана схема стартера СТ221 с однообмоточным реле, на рис.20б – схема стартера СТ221 с двухобмоточным реле, на рис.20 г – схема стартера СТ130А3 с дополнительным реле.

Рис.19 Рис.20

Система управления двигателем. На современных автомобилях широко применяются цифровые системы управления, обеспечивающие оптимальные параметры системы впрыска топлива и системы зажигания. Рассмотрим в качестве примера систему Motronic 1.3 для двигателей с распределенным впрыском бензина (рис.21).

Система Motronic 1,3 включает в себя электронный блок управления (ECU), топливный насос, реле включения топливного насоса, распределитель топлива, форсунки, регулятор давления топлива, регулятор холостого хода, измеритель расхода воздуха, датчик положения дроссельной заслонки, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик числа оборотов коленчатого вала, адсорбер(емкость с активированным углем),клапан вентиляции, катушку зажигания, распределитель зажигания и свечи зажигания.

Система управления двигателем работает следующим образом: топливный насос через фильтр тонкой очистки подает топливо в распределитель топлива. Далее топливо подается к форсункам, установленным на впускном коллекторе двигателя, а через них- в камеры сгорания(в цилиндры).На распределителе топлива установлен регулятор давления топлива, который в зависимости от разрежения во впускном тракте поддерживает оптимальное давление топлива в системе. Воздух подается через воздушный фильтр во впускной тракт, в котором установлен измеритель расхода воздуха. Показания измерителя расхода воздуха учитываются ECU для оптимизации качества горючей смеси. Корпус измерителя расхода воздуха может включать в себя дополнительный воздушный канал с регулятором подачи воздуха в обход основного воздушного тракта. Этим регулятором в небольших пределах можно регулировать уровень CO в выхлопных газах

Датчик положения дроссельной заслонки является основным источником информации для ECU,где определяется качество горючей смеси. Дополнительный воздушный канал в обход дроссельной заслонки с установленным на нем регулятором холостого хода служит для оптимизации работы двигателя на холостом ходу.

Пусковые режимы двигателя регламентируется ECU по показаниям датчика температуры охлаждающей жидкости. В начальный момент пуска холодного двигателя впрыскивается обогащенная горючая смесь. Впрыск производится трижды в течение первых трех оборотов коленчатого вала двигателя. После запуска впрыск производится один раз за каждый оборот коленчатого вала.

Вентиляция топливного бака осуществляется посредством клапана с адаптивным управлением. Из топливного бака пары топлива через адсорбер (емкость с активированным углем) и клапан подаются во впускной тракт двигателя. Управление клапаном осуществляется по оборотам и нагрузке двигателя

При выключении управляющего напряжения клапан может быть открыт под действием разрежения во впускном тракте двигателя. Для предотвращения самопроизвольного воспламенения паров топлива после выключения зажигания клапан остается под управляющим напряжением(выключенным) еще несколько секунд. После этого закрывается пружинный обратный клапан и прекращается доступ парам топлива во впускной тракт двигателя.

Угол опережения зажигания регламентируется ECU по сигналу датчика числа оборотов коленчатого вала двигателя и в зависимости от режима работы двигателя.

Структурная схема системы управления двигателем "Motronic 1.3"

Рис.21

1. Адсорбер	11. Регулятор подачи воздуха
2. Реле топливного насоса	12. Регулятор холостого хода
3. Топливный бак	13. Датчик дроссельной заслонки
4. Клапан вентиляции	14. Термодатчик охл.жидкости
5. регулятор давления топлива	15.Свеча зажигания
6. Накопитель топлива	16. Эл.блок управления
7. Топливный фильтр	17. Катушка зажигания
8. Топливный насос	18. Распределитель зажигания
9. Измеритель расхода воздуха	19. Датчик оборотов коленвала
1 Инжектор

Рассмотрим систему управления дизельным двигателем на примере современной системы Common Rail- аккумуляторной топливной системы. По сравнению с обычными топливными системами(топливный насос высокого давления – ТНВД – с кулачковым приводом) система Common Rail для дизелей с непосредственным впрыском топлива обеспечивает значительно более высокую гибкость при адаптации топливной системы к двигателю, как например – широкая область применения (легковые, легкие коммерческие автомобили – высокое давление впрыска до 1400 бар – переменный угол опережения впрыска, возможность формирования двухфазного и многофазного впрыска, соответствие давления впрыска скоростному и нагрузочному режиму двигателя.

На рис. 22 представлена система управления дизельным двигателем с топливной системой Common Rail.

Рис. 22

1 – ТНВД

2 – электромагнитный клапан выключения подачи

3 – редукционный клапан ТНВД

4 – фильтр тонкой очистки топлива

5 - топливный бак с фильтром – топливозаборником и подкачивающим насосом

6 – ЭБУ

7 – блок управления свечами накаливания

8 – аккумуляторная батарея

9 – аккумулятор топлива высокого давления

10 – датчик давления топлива в аккумуляторе

11 – ограничитель подачи топлива

12 – клапан – регулятор давления

13 – датчик температуры топлива

14 – форсунка

15 – свеча накаливания с закрытым нагревательным элементом

16 – датчик температуры охлаждающей жидкости

17 – датчик частоты вращения коленчатого вала

18 – датчик частоты вращения распределительного вала

19 – датчик температуры воздуха на впуске

20 – датчик давления наддува

21 – массовый расходомер воздуха

22 – турбокомпрессор

23 – привод клапана системы рециркуляции ОГ

24 – привод клапана перепуска ОГ

25 – вакуумный насос

26 – панель приборов с указателями расхода топлива, частоты вращения и др.

27 – датчик положения акселератора

28 – датчик положения педали тормоза

29 – концевой выключатель на педали сцепления

30 – датчик скорости автомобиля

31 – электронный блок управления системы поддержания скорости автомобиля (Cruise controller)

32 – компрессор кондиционера

33 – блок управления компрессором кондиционера

34 – дисплей системы диагностики с диагностическим разъемом

Система освещения и сигнализации. Система освещения и световой сигнализации служит для освещения дороги, передачи информации об автомобиле – о его габаритах, наличии прицепа или полуприцепа, о предполагаемом маневре – а также для освещения кабины, приборов, подкапотного пространства,, номерного знака и др.Данная система имеет большое значение для безопасности движения.

К приборам освещения и световой сигнализации относятся фары головного света. противотуманные фары,. прожектор,. передние и задние фонари, фонари заднего хода, фонарь освещения номерного знака, указатели поворота, опознавательные фонари автопоезда, лампы освещения шкал приборов, плафон освещения кабины

На автомобилях устанавливаются фары головного света с европейской или американской системой светораспределения. Асимметричный свет обеспечивает лучшую освещенность той стороны дороги, по которой движется автомобиль, и уменьшает степень ослепления водителей встречного транспорта. Снижение степени ослепления при встречном разъезде обеспечивается применением в фарах двухнитевых ламп.

В лампах фар с американским светораспределением нить накала дальнего света расположена в фокусе отражателя, и поэтому при дальнем свете фары создается почти параллельный пучок света.Нить накала ближнего света по отношению к нити дальнего света смещена несколько вверх и вправо(если смотреть на отражатель со стороны светового отверстия), чем достигаются асимметричность ближнего света и лучшая освещенность правой стороны дороги. Световой пучок в американской системе распределения ближнего света размыт, четкой световой границы нет, в связи с чем система менее чувствительна к неровностям дороги. Фары с европейским светораспределением ближнего света создают четко выраженную светотеневую границу.Нить дальнего света расположена в фокусе отражателя, нить ближнего света цилиндрической формы выдвинута вперед и расположена чуть выше и параллельно оптической оси. Светотеневую границу создает экран, установленный под нитью ближнего света.

Непрозрачный экран исключает попадание световых лучей на нижнюю полусферу отражателя, поэтому область движения глаз водителя встречного транспорта находится в теневой зоне Одна сторона экрана отогнута вниз на угол 15 градусов, что позволяет увеличить активную поверхность левой половины отражателя и освещенность правой обочины и полосы движения.

При европейской системе светораспределения по сравнению с американской лучше освещаются правая часть дороги, обочина и уменьшается слепящее воздействие на водителей встречного транспорта. Однако при движении автомобиля по неровной дороге колебания светотеневой границы быстро утомляют зрение водителя. На автомобилях преимущественно устанавливаются фары с европейским светораспределением.

. Информационно-измерительная и диагностическая система. Приведем краткие сведения об элементах и системах информации и диагностики. Сбор информации осуществляется с помощью датчиков, которые преобразовывают физическую величину в электрический сигнал (величину) для подачи его на измерительный прибор(указатель). Функциональная схема измерения показана на рис. 23, где Д – датчик, ФВ – физическая величина, ЭВ – электрическая величина, У – указатель..

Рис. 23

По такой схеме выполняются контрольные измерения температуры охлаждающей жидкости, давления масла, уровня топлива, скорости автомобиля и др.

Несколько по –иному строится схема работы датчиков аварийных режимов, что иллюстрируется рис. 24, где ФВ – физическая величина, ЭВ - электрическая величина, Д – датчик, ЭВ пор – пороговое значение физической величины, С – сигнализатор, ИУ – исполнительное устройство, устраняющее аварийный режим.

Рис. 24

С помощью такого рода датчиков реализуется допусковый контроль ряда важных параметров автомобиля: температуры охлаждающей жидкости, давления масла, уровня жидкости,давления в тормозной системе.

Самым сложным агрегатом машины является двигатель и в настоящее время к его работе предъявляются самые жесткие требования в отношении надежности,экономичности и чистоты выхлопа. Как было упомянуто выше, по этой причине на современных машинах находят широкое применение цифровые системы управления двигателями, состоящие из двух подсистем: подсистемы зажигания и подсистемы впрыска топлива.Сказанное относится к двигателям с электрическим зажиганием, однако в равной мере это справедливо и в отношении дизелей как с топливными насосами высокого давления, с насос –форсунками, так и с аккумуляторными системами типа Common rail.У дизелей нет системы (подсистемы) зажигания но система управления является цифровой и соответствует единым стандартам.

Системы управления зажиганием. получают необходимую информацию от соответствующих датчиков: расхода воздуха, расхода топлива, давления, температуры, положения и перемещения, детонации, кислорода.

В качестве примера рассмотрим два варианта датчиков систем зажигания для двигателей с электрическим зажиганием.

В бесконтактных системах зажигания находят применение датчики начального момента искрообразования. Рассмотрим магнитоэлектрический датчик генераторного типа, принцип действия которого основан на явлении электромагнитной индукции. Суть явления состоит в том, что при изменении магнитного поля,связанного с проводником в последнем наводится электродвижущая сила (ЭДС). Принцип действия такого датчика демонстрируется рис,где показано его устройство в виде ротора и статора с обмотками. на роторе размещаются постоянные магниты, при движении которых меняется магнитный поток, в результате чего в обмотках статора наводится ЭДС. Выражение для выходного напряжения на холостом ходу (ЭДС) имеет вид

U_вых= K w n ,

где K – постоянный коэффициент,

w – число витков обмотки статора,

n – частота вращения ротора,

– производная магнитного потока по углу поворота ротора.

В соответствии с законом электромагнитной индукции ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, поэтому в данном случае берем производную потока по углу поворота, а угол поворота меняется со скоростью n.

На рис. 25а показано расположение элементов датчика: 1- зубцы ротора с постоянными магнитами, 2 – обмотка статора, 3 – полюса статора. Графики зависимостей магнитного потока Ф и выходного напряжения Uвых от угла поворота ротора изображены на рис. 4.3б, на верхнем графике также показаны зоны максимальных и минимальных значений производных от потока по времени, соответствующих максимальному и нулевому значениям выходного напряжения.

Рис. 25

Другим примером датчика начального момента искрообразования может служить датчик, действие которого основано на эффекте Холла, который поясняется рис. 26: если к пластине из проводника или полупроводника приложено напряжение и ее пронизывает магнитное поле с магнитной индукцией B, то между боковыми гранями пластины возникает ЭДС Холла

,

где К_х – постоянная Холла,

– ток от источника питания,

B – магнитная индукция,

h – толщина пластины.

На практике используется полупроводниковая пластинка, т.к. в этом случая эффект Холла наиболее выражен и напряжение получается достаточным для нормальной работы датчика.

Рис. 26

Датчик Холла устроен и работает следующим образом: неподвижный магнит 1 (рис. 27) отделен от элемента Холла (ЭХ) ротором в виде магнитомягкого экрана с прорезями 2. Когда между постоянным магнитом и элементом Холла встает прорезь магнитное поле имеет максимальное значение и на выходе элемента Холла появляется напряжение, которое поступает на вход усилителя У. Выходной сигнал усилителя подается на пороговый элемент St, последний срабатывает и его выходной сигнал усиливается транзистором VT.

Рис. 27

На рис. 27 также показаны стабилизатор напряжения СТ и сопротивление нагрузки 4 (Rн) – бесконтактный коммутатор зажигания. Элементы ЭХ, У, St, СТ, VT образуют микросхему 3. Ниже, на рис. 28 показаны формы ЭДС Холла и выходного напряжения в зависимости от угла поворота ротора .

Рис. 28

Для системы управления двигателем требуется большое количество данных, с помощью которых можно было бы обеспечить оптимальное управление во всем диапазоне рабочих режимов. Общее число таких датчиков на современных двигателях достигает десятка.

В качестве примера на рис. 29 показан датчик детонации 12.3855, устанавливаемый на автомобилях ВАЗ. Принцип действия этого датчика основан на свойстве пьезоэлектрического кристалла генерировать электрическое напряжение под действием вибрации, которая возникает при появлении детонации. Напряжение на гранях кристалла подается на вход усилителя, с выхода которого снимается сигнал для блока управления двигателем.

На рис. 29а изображен датчик в разрезе: 1 – пружина, 2 – пьезоэлемент, 3 – шунтирующий резистор, 4 – основание, 5 – штуцер, 6 – разъем,7 – резистор, 8 – подвижная опора, 9 – крышка, 10 – полость, 11 – корпус, 12 – резьбовой штуцер, 13 – соединение с массой, 14 – усилитель, 15 – резистор, 16 – электрическая плата. Расположение датчика детонации 17 на двигателе показано на рис.29б.

Рис. 29

Важнейшую роль в системах управления двигателей современных автомобилей, которые должны отвечать жестким требованиям экологической чистоты, играет датчик кислорода или, по-другому, лямбда-зонд. Принцип действия такого датчика основан на том, что в гальваническом источнике тока напряжение зависит от концентрации кислорода в окружающей среде. Поперечный разрез и схема датчика кислорода показаны на рис. 30, где между двумя платиновыми электродами 4 и 5 находится твердый электролит 3 на основе диоксида циркония Zr , 1 – электропроводное уплотнение, 2 – корпус, На рис. 31 показана кривая зависимости выходного напряжения датчика кислорода от величины - коэффициента избытка воздуха. Следует обратить внимание на резкое изменение выходного напряжения в точке λ=1. Это, как известно, соответствует стехиометрическому составу смеси. За счет такого крутого фронта напряжения датчик оказывается “релейным” или “переключательным” – он определяет только сам момент переключения, что создает определенные трудности для контроллера. Датчик реагирует на разницу в величинах парциального давления кислорода в атмосфере и в отработавших газах из-за их разной концентрации и вырабатывает ЭДС

,

где R – газовая постоянная,

T – абсолютная температура,

F – постоянная Фарадея,

- парциальное давление кислорода в атмосфере,

- парциальное давление кислорода в отработавших газах.

Неудовлетворительная характеристика обычных датчиков кислорода привела к тому, что появились особого рода датчики обедненной смеси. Выходной ток такого датчика почти линейно увеличивается по мере обеднения смеси: при изменении состава смеси от 14,7:1 до 23:1 ток датчика растет от нуля до 14 мА. Такой датчик уже дает более существенную информацию, по которой можно точно корректировать состав смеси.

Еще более полезную информацию позволяет получить так называемый широкополосный датчик кислорода- его характеристика представляет собой плавную кривую тока или напряжения: при изменении состава смеси от 12: 1 до 19: 1 напряжение возрастает от 2,4 В до 4 В.

.

Рис. 30 Рис. 31

Системы комфорта и безопасности. Современный автомобиль оснащен большим количеством устройств и систем, обеспечивающих комфорт и безопасность. За последнее время резко возросла степень оснащенности такими системами транспортных и даже транспортно - технологических машин. Число и разновидности такого рода устройств с каждым годом растет, их функции расширяются и уже сейчас сложилось такое положение, что классификация устройств и систем комфорта, безопасности и вспомогательных устройств и систем оказалась затруднительной. В данном разделе будем придерживаться достаточно условного отнесения того или иного устройства или системы к определенному классу.

К системам комфорта и безопасности относятся:

1) кондиционеры и системы климат – контроля,

2) центральный замок,

3) круиз – контроль,

4) система управления положением сидений и их подогрев дог, электрические стеклоподъемники, управление зеркалами и их подогревом, управление люком и др.

5) система предупреждения о падении давления в шинах

6) система управления шумом,

7) противоугонные системы,

8) система навигации,

9) парктроники

10) воздушные подушки безопасности,

Система кондиционирования воздуха обеспечивает достижение оптимального состояния воздуха в кабине или в салоне транспортного средства. Кондиционер управляется электронным блоком, содержит компрессор с электромагнитной муфтой, испаритель и конденсатор.

Все чаще находят применение более совершенные системы климат – контроля, которые позволяют тонко регулировать параметры состояния воздуха. Цифровая система управления, ориентируясь на информацию, приходящую от различных датчиков (температурных, а в некоторых системах и датчика уровня солнечной радиации), автоматически выбирает, устанавливает и поддерживает нужные режимы, независимо от погодных условий и внешней температуры.

Вспомогательное оборудование. Как отмечалось выше классификация электрического и электронного оборудования транспортных средств является в достаточной мере условной. В данном разделе приводятся краткие сведения о вспомогательном электрооборудовании, к которому следует отнести световую и звуковую сигнализацию, стеклоочистители, а также реле и предохранители.

Световая сигнализация осуществляется в минимальной комплектации для грузовых и легковых автомобилей в следующем составе:

габаритные огни – два передних и два задних,

два задних сигнала торможения (стоп – сигналы),

проблесковые указатели поворота – два передних, два

задних и боковые,

два задних световозвращателя (катафоты),

фонарь освещения номерного знака.

Звуковая сигнализация осуществляется электрическими сигналами двух типов: тональные и шумовые. Тональные – имеют рупорный резонатор, а шумовые – дисковый.

Стеклоочистители предназначены для механической очистки ветрового стекла, а во многих случаях и заднего. Кроме того,стеклоочистители на современных легковых автомобилях устанавливаются на фарах с целью повышения безопасности движения. В последнее время для привода стеклоочистителей все чаще применяются электродвигатели с постоянными магнитами, которые обладают жесткой механической характеристикой. Такая характеристика требуется по условиям работы стеклоочистителей. Двигатели имеют параллельное или смешанное возбуждение.

В автомобильном электрооборудовании для защиты от перегрузок и коротких замыканий широко применяются плавкие предохранители, принцип действия которых основан на том, что при достижении током опасных значений металлическая калиброванная ленточка нагревается и перегорает, разрывая ток перегрузки или короткого замыкания.

Применяются также биметаллические элементы защиты от перегрузок. Такой предохранитель работает следующим образом: биметаллическая пластинка, состоящая из двух разных металлов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения, изгибается при нагреве током и разрывает электрическую цепь.

1.10. Трансмиссия автомобиля

Трансмиссия автомобиля выполняет две функции: она передаёт крутящий момент от двигателя ведущим колёсам автомобиля, а также изменяет его величину и направление. При передаче крутящего момента трансмиссия, кроме того, перераспределяет его между отдельными колёсами.

Общее передаточное число трансмиссии в любой момент времени можно определить отношением частоты вращения коленчатого вала двигателя к частоте вращения ведущих колёс.

Крутящий момент, передающийся на ведущее колесо, определяет тяговое усилие, действующее в контакте колеса с дорогой. Это усилие определяется делением величины крутящего момента на радиус колеса. Для движения автомобиля необходимо, чтобы тяговое усилие было больше суммы сил сопротивления движению. Максимальное тяговое усилие ограничивается сцеплением колёс с дорогой. Силу сцепления можно определить, умножив часть массы автомобиля, приходящегося на одно колесо, на коэффициент сцепления – φ. Коэффициент сцепления зависит от состояния дорожного покрытия, качества и состояния шин и находится в пределах от 0,1 до 0,9.

Крутящий момент, подведённый к ведущим колёсам, стремится сдвинуть их относительно поверхности дороги в сторону, противоположную движению автомобиля. Вследствие этого из-за противодействия дороги на ведущих колёсах возникает тяговая сила Р_т, которая направлена в сторону движения и является движущей силой автомобиля. тяговая сила вызывает возникновение на ведущем мосту толкающей силы Р_х, которая через подвеску передаётся на кузов и приводит в движение автомобиль.

В зависимости от того, какие колёса автомобиля являются ведущими, мощность и крутящий момент могут подводиться только к передним, только к задним или к передним и задним одновременно, а автомобили соответственно будут переднеприводными, заднеприводными и полноприводными.

Некоторые основные виды трансмиссий представлены на рис. 16.

Трансмиссии подразделяются: по конструкции и по изменению крутящего момента.

По конструкции:

- механические;

- гидрообъёмные;

- электрические;

- гидромеханические;

- электромеханические.

По изменению крутящего момента:

- ступенчатые;

- бесступенчатые;

- комбинированные.

а)

б)

в)

Рис. 16. Схемы трансмиссий автомобилей: а) – полноприводных; б) – заднеприводных; в) – переднеприводных

Наиболее распространены механические ступенчатые и гидромеханические трансмиссии. Трансмиссии других типов имеют ограниченное применение.

Выбор типа трансмиссии зависит от назначения автомобиля и взаимного расположения двигателя ведущих колёс. Характер изменения передаваемого крутящего момента в разных трансмиссиях различен.

В механической ступенчатой трансмиссии передаваемый от двигателя к ведущим колёсам крутящий момент изменяется ступенчато в соответствии с передаточным числом трансмиссии, которое равно произведению передаточных чисел шестерённых механизмов трансмиссии. Передаточным числом зубчатой передачи механизма называется отношение числа зубьев ведомой шестерни (колеса) к числу зубьев ведущей шестерни.

Гидрообъёмная передача представляетсобойбесступенчатую силовую передачу, в которой крутящий момент двигателя к ведущим колёсам автомобиля передаётся гидравлическим потоком жидкости.

Электрическпя трансмиссия является бесступенчатой передачей, в которой крутящий момент изменяется плавно, без участия водителя, в зависимости от сопротивления дороги и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Электрическая трансмиссия обладает всеми преимуществами и недостатками гидрообъёмной трансмиссии, кроме требования к надёжности уплотнения. Однако, КПД трансмиссии не превышает 0,75, что ухудшает тягово-скоростные свойства автомобиля. Кроме того, расход топлива по сравнению с механической трансмиссией повышается на 10…20 %.

Гидромеханическая трансмиссия является комбинированной трансмиссией, которая состоит из механизмов механической и гидравлической трансмиссий. Передаточное число и крутящий момент в ней изменяются ступенчато и плавно.

Электромеханическая трансмиссия является комбинированной и состоит из элементов механической и электрической трансмиссий.

Автоматические трансмисии, позволяющие водителю управлять режимом движения с помощью только двух педалей: газа и тормоза, могут иметь коробку передач или не иметь ее. Ко второму типу относятся гидрообъемные и электрические трансмиссии, которые позволяют в определенном диапазоне получить любое передаточное число.

В гидрообъемной трансмиссии гидравлический насос, приводимый в действие от ДВС, соединяется трубопроводами с гидродвигателями, которые приводят в действие ведущие колеса автомобиля. Гидростатический напор жидкости, создаваемый насосом, преобразуется в крутящий момент на валах гидродвигателей. Гидрообъемные трансмиссии не получили широкого применения на автомобиле из-за низкого КПД и высокой стоимости, но довольно часто используются в дорожно-строительных машинах.

В электрических трансмиссиях ведущие колеса автомобиля приводятся в действие электродвигателями, к которым от генератора подается электрический ток. Электродвигатель с редуктором может располагаться непосредственно внутри колеса. Такая конструкция носит название мотор-колеса.

Электрические трансмиссии в ближайшем будущем получат широкое распространение при переходе к альтернативным источникам энергии.

В автоматических трансмиссиях с коробками передач используются ступенчатые (автоматизированные), бесступенчатые (вариаторы) и комбинированные (гидромеханические) коробки передач.

Автомобили, у которых все колеса ведущие, называют полно- приводными. Если крутящий момент передается на все колеса, улучшается способность автомобиля двигаться в плохих дорожных условиях. Некоторые автомобили с приводом на четыре колеса обозначают AWD или 4WD а иногда 4х4.

Трансмиссия полноприводного автомобиля конструктивно сложнее, дороже и тяжелее, чем у автомобиля с двумя ведущими колесами. Кроме того, механические потери в такой трансмиссии выше. Дополнительная масса и потери мощности снижают общие показатели и ухудшают топливную экономичность автомобиля. В то же время сопротивление качению ведущих колес меньше, чем ведомых, что в некоторой степени компенсирует потери. Несмотря на недостатки полного привода, его преимущества часто являются более важными. Влияние полного привода на управляемость и устойчивость более сложное, но несомненно, что полный привод дает преимущество в устойчивости на скользких дорогах, а главное – он обеспечивает более легкое управление автомобилем в критических ситуациях. Кроме того, внедорожные автомобили, как правило, оборудуются трансмиссиями с понижающей передачей, которая дает возможность увеличить крутящий момент, подводимый к ведущим колесам и обеспечить уверенное движение на малых скоростях.

Легковые автомобили с приводом на четыре колеса могут иметь или постоянный привод всех колес или подключаемый ко всем колесам по необходимости. Существуют конструкции полно приводных трансмиссий, в которых обеспечивается постоянный привод на передние (Toyota RAV4, Honda CVR и др.) или задние колеса (Ford Explorer, Nissan Terrano и др), а привод на другие два колеса включается по необходимости. Причем это включение может происходить автоматически или вручную.

Дата добавления: 2015-07-16