Розділ 2. Давачі новітніх автомобільних електронних систем

2.1. Попередні зауваження

Сучасні електронні системи автоматичного управління (ЕСАУ) різняться технічними об'єктами, у тому числі і автомобільними бортовими пристроями, але мають подібну структуру. Різні давачі ЕСАУ перетворюють інформацію про значення неелектричних параметрів, що контролюються, в електричний сигнал – напругу, струм, частоту, фазу і т.д. Ці сигнали перетворюються в цифровий код і надходять у мікроконтролер. Мікроконтролер на підставі значень цих сигналів і відповідно до закладеного в нього програмного забезпечення приймає рішення та здійснює керування об’єктом через виконавчі механізми (реле, соленоїди, електродвигуни).

Можливість вдосконалення автомобільних електронних систем у багато чому залежить від наявності надійних, точних і недорогих давачів.

У 60-х роках автомобілі були обладнані давачами тиску масла, рівня палива, температури, охолоджувальної рідини. Їх виходи були підключені до стрілочних або лампових індикаторів на панелі приладів.

У 70-х роках автомобільні компанії почали боротися за зменшення кількості токсичних викидів з глушника автомобіля – знадобилися додаткові давачі для керування силовою установкою, які необхідні для забезпечення нормальної роботи електронного запалювання, системи впорскування палива, трьохкомпонентного нейтралізатора, для точного завдання співвідношення повітря / паливо в робочій суміші, для мінімізації токсичності вихлопних газів.

У 80-х роках почали приділяти більше уваги безпеці водія і пасажирів – з’явилися антиблокувальна система гальмування (ABS) і повітряні подушки безпеки.

У силовому агрегаті (ДВЗ) давачі використовуються для вимірювання температури та тиску більшості текучих середовищ (температура всмоктуваного повітря, абсолютний тиск у впускному колекторі, тиск масла, температура охолоджувальної рідини, тиск палива в системі впорскування).

Майже до всіх рухомих частин автомобіля підключені давачі швидкості або положення (швидкість автомобіля, положення дросельної заслінки, положення колінчастого вала, положення розподільного вала, положення і швидкість обертання вала в коробці перемикання передач, положення клапана рециркуляції вихлопних газів).

Інші давачі визначають рівень детонації, навантаження двигуна, пропуски займання, вміст кисню у вихлопних газах.

У системі управління кліматом (клімат-контроль) використовуються різні давачі в кондиціонері для визначення тиску і температури холодоагента, температури повітря в салоні і за бортом.

Є давачі, які визначають положення сидінь.

Після появи антиблокувальної системи гальмування та активної підвіски знадобилися давачі для визначення швидкості обертання коліс, висоти кузова по відношенню до шасі, тиску в шинах.

Давачі удару і акселерометри потрібні для правильного функціонування фронтальних та бічних повітряних мішків безпеки. Для переднього пасажирського сидіння, за допомогою давачів, визначають наявність пасажира, його вагу. Ця інформація використовується для оптимального надуву мішка безпеки на передньому сидінні. Інші давачі використовуються для бічних і стельових повітряних мішків безпеки, а також спеціальних повітряних мішків для захисту шиї і голови.

На сучасних автомобілях антиблокувальні системи гальмування заміняють більш складними та ефективними системами управління стабільністю руху автомобіля. Виникає необхідність у нових давачах. Розробляються та вже існують давачі швидкості обертання автомобіля навколо вертикальної осі, давачі для попередження зіткнень (наприклад радарні), давачі для визначення близькості інших автомобілів, давачі положення рульового колеса, бічного прискорення, швидкості обертання кожного колеса, крутного моменту на валу двигуна і т.д. Керування гальмівною системою автомобіля стає частиною більш загальної та ефективної системи електронного управління курсовою стійкістю та стабільністю руху.

Зі сказаного ясно, що сьогодні давачі встановлюються практично у всіх системах автомобіля.

На рис. 2.1, а показано найбільш раціональне розташування різних давачів на автомобілі.

Давачі автомобільних електронних систем можна класифікувати за трьома ознаками: принципом дії, типом енергетичного перетворення і основним призначенням.

За принципом дії давачі розділяють на електроконтактні, потенціометричні, оптичні, оптоелектронні, електромагнітні, індуктивні, магніторезистивні, магнітострикційні, фото та п'єзоелектричні, давачі на ефектах Холла, Доплера, Кармана, Зебека, Вігопда.

В залежності від енергетичного перетворення (рис. 2.1, б) давачі (Д) бувають активними (поз. 2 на рис. 2.1, б), в яких вихідний електричний сигнал (ЕС) виникає як наслідок вхідного неелектричного впливу (НВ) без застосування сторонньої електричної енергії за рахунок внутрішнього фізичного ефекту (наприклад фотоефекту), і пасивними (поз. 3 на рис. 2.1, б), в яких електричний сигнал (ЕС) є наслідком модуляції зовнішньої електричної енергії (ЗЕ) керуючою неелектричною взаємодією (НВ). Наприклад, потенціометричний давач, показаний па рис. 2.1, б (поз. 5), є пасивним перетворювачем кута повороту осі потенціометра (чутливого елемента (ЧЕ)) в електричний сигнал. Електричний сигнал (ЕС) з'явиться на виході потенціометра тільки після того, як на резистивну доріжку (П) буде подано зовнішню напругу (ЗН). Слід зауважити, що всередині давача, за допомогою чутливого елемента (ЧЕ), завжди має місце внутрішнє перетворення зовнішнього неелектричного впливу (НВ) в проміжний неелектричних сигнал (НС), що показано на рис. 2.1, б (поз. 1). Стосовно до давача кута повороту, кутове положення вісі потенціометра є неелектричним сигналом (НС) на виході чутливого елемента (ЧЕ). Цьому неелектричному сигналу (НС) відповідає вихідний електричний сигнал (ЕС) давача, якщо подана на резистивну доріжку (П) зовнішня напруга (ЗН) постійна (рис. 2.1, б, поз. 4). Линійна характеристика перетворення (рис. 2.1, б, поз. 6) може бути легко змінена на квадратичну, ступеневу і будь-яку нелінійну із заданою крутизною, що досягається підбором конструктивних розмірів (довжини, ширини, товщини) резистивної доріжки.

Рис. 2.1, а. Розташування давачів на автомобілі

1 – давач конфігурації впускного колектора з керованою геометрією;

2 – давач тахометра;

3 – давач положення розподільного вала;

4 – давач навантаження двигуна;

5 – давач положення колінчастого валу;

6 – давач крутного моменту двигуна;

7 – давач кількості масла;

8 – давач температури охолоджувальної рідини;

9 – давач швидкості автомобіля;

10 – давач тиску масла;

11 – давач рівня охолоджувальної рідини;

12 – радарний давач системи гальмування;

13 – давач атмосферного тиску;

14 – радарний давач системи запобігання зіткнень;

15 – давач швидкості обертання ведучого вала коробки передач;

16 – давач обраної передачі в коробці передач;

17 – давач тиску палива в рампі форсунок;

18 – давач швидкості обертання керма;

19 – давач положення педалі;

20 – давач швидкості обертання автомобіля щодо вертикальної осі;

21 – давач протиугонної системи;

22 – давач положення сидіння;

23 – давач прискорення при фронтальному зіткненні;

24 – давач прискорення при бічному зіткненні;

25 – давач тиску палива в баку;

26 – давач рівня палива в баку;

27 – давач висоти кузова по відношенню до шасі;

28 – давач кута повороту керма;

29 – давач дощу або туману;

30 – давач температури забортного повітря;

31 – давач ваги пасажира;

32 – давач кисню;

33 – давач наявності пасажира в сидінні;

34 – давач положення дросельної заслінки;

35 – давач пропусків займання;

36 – давач положення клапана рециркуляції вихлопних газів;

37 – давач абсолютного тиску у впускному колекторі;

38 – давач азимута;

39 – давач швидкості обертання коліс;

40 – давач тиску в шинах.

З наведеного прикладу ясно, що будь-який давач завжди складається, як мінімум, з двох частин – з чутливого елементу (ЧЕ), ​​здатного сприймати вхідний неелектричних вплив (НВ), і з перетворювача (П) проміжного неелектричного сигналу (НС) від чутливого елемента в вихідний електричний сигнал (ЕС).

Рис. 2.1, б. Моделі давачів ЕСАУ

За призначенням давачі класифікуються за типом керуючого неелектричного впливу: давачі крайових положень, давачі кутових і лінійних переміщень, давачі частоти обертання і числа обертів, давачі відносного або фіксованого положення, давачі механічного впливу, давачі тиску, давачі температури, давачі вологості, давачі концентрації кисню, давачі радіації та ін..

Давачі підключаються до ЕБУ або засобам індикації для передачі інформації про параметри контрольованого середовища. В автомобільних системах ціна і надійність мають величезне значення і при інших рівних умовах завжди вибирають давач з найменшим числом з'єднувачів. Якщо до давача слід підключити 5-6 проводів (наприклад, ЛДТ), доцільно розмістити мікросхему обробки сигналу безпосередньо на давачі і передавати дані контролеру через послідовний інтерфейс.

При підключенні давачів до ЕБУ слід мати на увазі, що шасі (маса) автомобілів не може бути використана в якості вимірювальної землі. Між точкою підключення ЕБУ до маси і давачем напруга може падати до 1 В за рахунок струмів силових елементів по масі, що неприпустимо як при штатній роботі давача, так і при його діагностиці.

Переважна більшість давачів з числа перерахованих вище вже достатньо широко використовується на сучасних імпортних та вітчизняних автомобілях. Їх будова, робота і принципи діагностування докладно описані в [3] і [4]. Але є й такі, які з'явилися відносно недавно і перебувають на стадії впровадження в новітні автомобільні системи. Опису саме таких давачів приділено найбільшу увагу в даному розділі.