Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Автотроника. Учебно-методическое пособие для подготовки к выполнению практических работ по дисциплине «Автотроника» для студентов направления подготов
.pdf
7. ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ,
ПОДВЕСКИ, СВЕТОВОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
7.1. Электронные системы рулевого управления
Рулевое управление предназначено для обеспечения движения
автомобиля в заданном водителем направлении. Рулевое управление
современного автомобиля имеет следующее устройство: рулевое колесо с
рулевой колонкой; рулевой механизм; рулевой привод.
Для уменьшения усилий, необходимых для поворота рулевого колеса, в
рулевом приводе применяется усилитель рулевого управления. Применение
усилителя обеспечивает точность и быстродействие рулевого управления, а
также снижает общую физическую нагрузку на водителя.
В зависимости от типа привода различают следующие виды
усилителей рулевого управления: гидравлический; электрический;
пневматический.
Большинство современных автомобилей имеют гидравлический
усилитель рулевого управления (другое название – гидроусилитель руля).
Разновидностью гидроусилителя является электрогидравлический усилитель
рулевого управления.
В последние годы на автомобилях все шире применяется
электрический усилитель рулевого управления (другое название –
электроусилитель руля).
Система управления обеспечивает работу гидроусилителя. На
современных автомобилях используется электронная система управления,
которая обеспечивает регулирование коэффициента усиления в зависимости
от скорости поворота рулевого колеса и скорости движения автомобиля.
Усилитель с такими характеристиками называется адаптивным усилителем
рулевого управления.
151
На автомобилях концерна Volkswagen и BMW электронная система
управления гидравлическим усилителем руля имеет торговое название
Servotronic.
Система Servotronic включает: входные датчики; электронный блок
управления;
исполнительное устройство.
Входными датчиками системы являются датчик усилителя руля
(датчик угла поворота рулевого колеса – на автомобилях, оборудованных
ESP), датчик спидометра. Помимо датчиков, система использует
информацию о частоте вращения коленчатого вала двигателя, поступающую
от системы управления двигателем.
Электронный блок управления гидроусилителем руля принимает и
обрабатывает сигналы датчиков и в соответствии с установленной
программой воздействует на исполнительное устройство.
В разных модификациях системы Servotronic используются следующие
исполнительные устройства:
электродвигатель насоса;
электромагнитный клапан в гидросистеме.
В первом случае изменение производительности гидроусилителя
осуществляется за счет изменения скорости вращения электродвигателя. Вовтором, за счет изменения проходного сечения гидросистемы (открытиезакрытие клапана).
Инновационной является система активного рулевого управления,
устанавливаемая на автомобили BMW, система динамического рулевого
управления, устанавливаемая на автомобили Audi. В данных системах
передаточное число рулевого механизма изменяется в зависимости от
скорости движения автомобиля.
Разработки с целью повышения эффективности рулевого управления
базируются на прогрессе в области электронной техники и имеют два
152
направления: 1) управление, реагирующее на скорость движения автомобиля;
2) управление, реагирующее на частоту вращения коленчатого вала
двигателя.
В 1-м случае коэффициент усиления изменяется в соответствии со
скоростью автомобиля, во 2-м — с частотой вращения коленчатого вала
двигателя. В обоих случаях цель изменения состоит в том, чтобы делать
более легким управление на низкой скорости и менее чувствительным — на
высокой.
Существуют также системы, которые с помощью блока управления
позволяют управлять рулевым усилителем по угловой скорости поворота
рулевого колеса либо устанавливать его по желанию водителя.
Отделение Saginaw концерна «Дженерал Моторс» разработало и уже
серийно выпускает гидравлический усилитель рулевого управления с
электронным регулированием, позволяющим изменять усилие на рулевом
колесе в зависимости от скорости движения автомобиля. В конструкции
заложена возможность настройки самим водителем. Принципиальная схема
системы регулирования усилителя Electronic Variable Orifice (EVO)
приведена на рис.7.1.
1 — рулевой механизм; 2 специальный клапан; 3 — датчик углового
перемещения рулевого колеса; 4 — ЭБУ; 5 — исполнительный механизм; 6 и
7 — соответственно сигнал и датчик скорости движения автомобиля
Рисунок 7.1. Принципиальная схема системы регулирования усилителя EVO:
153
Особенностью конструкции нового усилителя является то, что
исполнительный механизм может быть установлен либо в насосе усилителя,
либо в реечном рулевом механизме. В исполнительном механизме имеется
дозирующий шток, перемещение которого относительно жиклера изменяет
расход жидкости из насоса усилителя. Перемещением дозирующего штока
управляет электронный блок управления, получающий сигналы 6 скорости
движения автомобиля от центрального электронного управляющего модуля
(датчика) 7.
При увеличении скорости движения автомобиля расход жидкости,
подаваемой насосом усилителя, уменьшается. Таким образом обеспечивается
небольшое усилие (водителя) на рулевом колесе при низких скоростях
движения (при парковке автомобиля) и более высокое — при высоких
скоростях движения, что позволяет более точно управлять автомобилем.
Контроллер дозирующего штока допускает ступенчатое изменение его
положения относительно жиклера, обеспечивая таким образом постепенное
увеличение усилия на рулевом колесе по мере роста скорости движения
автомобиля.
Электронный блок управления 4 получает также сигналы от датчика 3
углового перемещения рулевого колеса, установленного на рулевой колонке.
Этот датчик определяет быстрые изменения угла его поворота. Во время
скоростных поворотов рулевого колеса усилитель обеспечивает
максимальное снижение усилия на рулевом колесе, облегчая водителю
выполнение маневра. Эта система работает при определенных параметрах,
заложенных в конструкции.
Свойством нового усилителя является сохранение работоспособности
при отсутствии электронного сигнала. В этом случае дозирующий шток
немедленно выталкивается из жиклера под давлением масла, и усилитель
работает на режиме полной мощности при всех скоростях движения
автомобиля.
154
Одной из наиболее интересных особенностей усилителя является
возможность создания его параметров по требованию заказчика.
Характеристики усилителя обеспечиваются изготовителем по желанию
потребителя. По заявлению отделения Saginaw, его конструкция может быть
выполнена так, что водитель сможет самостоятельно отрегулировать
зависимость усилия на рулевом колесе от скорости движения автомобиля в
соответствии с индивидуальными требованиями к чувствительности
рулевого управления.
Электронный блок рулевого управления с усилением по скорости
автомобиля, выполненный в виде аналоговой схемы, изображен на рис.7.2.
Рисунок 7.2. Структурная схема ЭБУ рулевого управления
На вход схемы поступает сигнал от датчика скорости. Выходным
сигналом ЭБУ является сигнал переменной скважности, приводящий в
движение электромагнит следящего действия. Этот электромагнит
отличается от обычного тем, что может фиксировать четыре клапана в
произвольном положении, пропорциональном среднему току. Управление
электромагнитом обеспечивается сигналом с изменяющейся скважностью.
Сигнал от датчика скорости с помощью преобразователя частоты в
напряжение преобразуется в напряжение, пропорциональное скорости,
которое легко обрабатывается аналоговой схемой. На высокой скорости для
155
увеличения рулевого усилия ток электромагнита должен расти. Но чтобы не
допускать чрезмерного увеличения рулевого усилия на больших скоростях,
значение тока остается неизменным при скорости выше 120 км/ч. Для этого
вводится схема обнаружения скорости 120 км/ч. Напряжение U, полученное
в результате преобразования сигнала датчика скорости, напряжение е
пропорциональное падению напряжения (образуемому током Iо через
электромагнит) на резисторе для измерения тока, сравниваются в усилителе
сигнала рассогласования. Усилитель, содержащий интегрирующую схему на
операционном усилителе, вырабатывает сигнал, скорректированный таким
образом, что при наличии рассогласования через электромагнит всегда
протекает ток, пропорциональный скорости. Схема сравнения в результате
обработки скорректированного сигнала и сигналов треугольной формы е0
генератора вырабатывает импульсы, скважность которых пропорциональна
скорости. Этот сигнал через транзистор поступает на электромагнит. С
увеличением тока степень открытия электромагнитного клапана и рулевое
усилие возрастают.
Система активного рулевого управления (Active Front Steering, AFS)
предназначена для изменения передаточного отношения рулевого механизма
в зависимости от скорости движения; корректирования угла поворота
передних колес при прохождении поворотов и торможении на скользком
покрытии.
Система AFS является совместной разработкой фирм Bosch и ZF. В
настоящее время система устанавливается на большинство моделей
автомобилей BMW в качестве опции и является фирменным атрибутом
данной марки. Конкурентными преимуществами данной системы являются
повышение комфорта и безопасности при эксплуатации автомобиля.
Система активного рулевого управления в своей работе
взаимодействует с другими системами, в т.ч. с гидроусилителем руля
Servotronic, системой динамической стабилизации DSC.
156
Для реализации функций системы активного рулевого управления
создана система управления. Электронная система управления включает
следующие элементы: входные датчики; электронный блок управления;
исполнительные устройства.
Система AFS в своей работе использует следующие датчики: датчик
положения электродвигателя; датчик суммарного угла поворота; датчик угла
поворота рулевого колеса; датчики системы динамической стабилизации
(скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси и вертикального
ускорения).
Датчик суммарного угла поворота рулевого механизма может не
устанавливаться, в этом случае угол рассчитывается виртуально на
основании сигналов других датчиков.
Электронный блок управления принимает сигналы от датчиков,
обрабатывает их и в соответствии с заложенным алгоритмом формирует
управляющие воздействия на исполнительные устройства. Электронный
блок управления соединяется и осуществляет взаимодействие с блоками
управления других систем автомобиля: системы Servotronic; системы
динамической стабилизации DSC; системы управления двигателем; системы
доступа в автомобиль.
Исполнительными механизмами системы AFS являются:
электродвигатель; сигнальная лампа на панели приборов.
Электродвигатель обеспечивает вращение эпициклической шестерни
планетарного редуктора. Электродвигатель оборудован аварийным
электромагнитным фиксатором, блокирующим червячную передачу. В
исходном положении передача заблокирована. При подаче тока на
электродвигатель, срабатывает электромагнит, и фиксатор, преодолевая
усилие пружины, освобождает ротор электродвигателя. При возникновении
неисправности в системе AFS, прекращается подача тока на
электродвигатель, фиксатор блокирует червячную передачу.
157
Возникновение неисправностей в системе сопровождается
срабатыванием сигнальной лампы на панели приборов. При этом на
информационном дисплее появляется сообщение системы самодиагностики.
Система AFS активируется при запуске двигателя. Работа системы
заключается в изменении передаточного отношения рулевого механизма в
зависимости от скорости и условий движения.
При совершении маневров на низкой скорости в соответствии с
сигналом датчика угла поворота рулевого колеса включается
электродвигатель. Электродвигатель через червячную пару передает
вращение на эпициклическую шестерню планетарного редуктора. Вращение
шестерни в определенном направлении с максимальной скоростью
обеспечивает наименьшее передаточное отношение рулевого механизма,
которое достигает значения 1:10. При этом руль становиться острым,
уменьшается число оборотов рулевого колеса от упора до упора, чем
достигается высокий комфорт в управлении.
С ростом скорости движения выполнение поворотов сопровождается
уменьшением частоты вращения электродвигателя, соответственно
увеличивается передаточное отношение рулевого механизма. На скорости
180-200 км/ч передаточное отношение достигает оптимального значения
1:18. Электродвигатель при этом перестает вращаться, а усилие от рулевого
колеса передается на рулевой механизм напрямую.
С дальнейшим ростом скорости электродвигатель снова включается,
при этом вращение производится в противоположную сторону. Передаточное
отношение рулевого механизма может достигать величины 1:20. При данном
передаточном отношении рулевое управление обладает наименьшей
остротой, увеличивается число оборотов рулевого колеса от упора до упора,
тем самым обеспечивается безопасность маневрирования на высоких
скоростях.
Если при прохождении поворота фиксируется избыточная
поворачиваемость автомобиля (потеря сцепления задних колес с дорогой)
158
система AFS на основании сигналов датчиков системы DSC самостоятельно
корректирует угол поворота передних колес. В результате чего сохраняется
курсовая устойчивость автомобиля. В случае, когда система активного
рулевого управления не может полностью обеспечить устойчивость
автомобиля, подключается система динамической стабилизации.
Аналогичным образом система активного рулевого управления
стабилизирует движение автомобиля при торможении на скользком
покрытии, чем достигается повышение эффективности антиблокировочной
системы тормозов ABS и сокращение тормозного пути.
Система активного рулевого управления постоянно включена и не
имеет возможности отключения.
7.2 Системы управления подвеской
Улучшить подвеску - значит найти наиболее приемлемый компромисс
между комфортом и безопасностью. Именно в улучшении этих
характеристик подвески способна помочь электроника. Можно выделить три
направления электронных систем управления подвеской современного
автомобиля:
- управление упругими и амортизирующими элементами подвески;
- управление стабилизаторами поперечной устойчивости;
- управление кинематикой подвески.
Очевидно, что имеют место и комплексные электронные системы
управления подвеской.
Характеристики, которые получает подвеска того или иного
автомобиля, всегда компромиссны. Чтобы кузов автомобиля в определенных
режимах (разгон, торможение, прохождение поворотов) не кренился
чрезмерно в сторону или не раскачивался в горизонтальном и вертикальном
направлении со значительной, а иногда - с угрожающей амплитудой,
приходится увеличивать жесткость упругих элементов подвески. Однако
такой шаг, необходимый для безопасного движения, неизбежно ведет к
159
ухудшению комфорта, поэтому конструкторам почти всегда приходится
останавливаться на некоем среднем варианте, который, понятно, не может
обеспечить ни максимума безопасности, ни наилучшего комфорта.
Идеальная подвеска должна самостоятельно изменять свои характеристики в
зависимости от дорожных условий, именно такие системы управления
принято называть активными или - ABC (Active Body Control). Системы где
системы незначительно меняют свои характеристики или отдают это право
водителю, называют полуактивными или пассивными.
По принципу действия развитие получили два направления активных
подвесок: пневматические и гидропневматические.
Наиболее распространенные упругие элементы - пружины, рессоры и
торсионы - имеют постоянную жесткость. Поэтому регулировать
характеристики можно лишь в подвесках с пневмоэлементами, изменение
внутреннего давления воздуха в которых позволяет соответствующим
образом изменять и жесткость подвески.
Ярким представителем первого направления является разработка
фирмы Mercedes-Benz - Airmatic.
В подвеске Airmatic подрессоривание каждого отдельного колеса
производится не с помощью пружин, а посредством сжатого воздуха,
необходимое количество которого быстро подводится или отводится через
электромагнитные клапаны к имеющим особую конструкцию амортизаторам.
Система Airmatic состоит из передних и задних пневматических
амортизационных стоек, компрессора, центрального пневмоаккумулятора,
блока управления и датчиков, информирующих блок управления о скорости
движения, нагрузке автомобиля и угле поворота рулевого колеса. Узлы и
механизмы подвески Airmatic соединены друг с другом воздушными
магистралями и подключены в электрическую систему автомобиля.
Не меньшее внимание уделяют электронному управлению
амортизаторов, так BMW на моделях 7 серии применяет амортизаторы с
изменяемой характеристикой за счет управления перепускными клапанами.
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]