Рассмотрены основные недостатки системы измерения угловой скорости колеса автомобиля, используемые в АБС, являющиеся причинами неисправностей в её работе и отказов. Предложены возможные варианты использование современных усовершенствованных технологий для устранения недостатков системы.
В современной технике регулирования и измерения параметров большинства процессов возрастает роль отрасли изготовления и применения датчиков.
Постоянно развиваясь, отрасль изготовления датчиков, является основой для совершенствования уже существующих и создания принципиально новых систем автоматического регулирования. В этой связи автомобильные электронные системы имеют возможность постоянного развития. Современный автомобиль можно позиционировать как результат синтеза механики (непосредственно отрасли машиностроения в классическом её понимании) и электроники. Совокупность механических и электронных с информационными технологиями объединяют в единое понятие — мехатронные системы. Мехатронные системы автомобиля по своему функциональному назначению можно разделить на три основные группы: системы управления ходовой частью и трансмиссией, системы управления двигателем, системы управления оборудованием салона. Остановимся на системе управления ходовой частью.
Система управления ходовой частью контролирует процесс движения автомобиля, изменение траектории и торможение автомобиля. Воздействуя на подвеску, рулевое управление, а также тормозную систему, в частности антиблокировочную систему (АБС), речь о которой пойдёт далее, обеспечивает необходимые параметры движения.
В первую очередь необходимо акцентировать внимание на том, что безотказность — это важнейшее эксплуатационное свойство автомобиля. Поэтому рассмотрим параметры, от которых зависит безотказность классических датчиков угловой скорости, применяемых в АБС автомобилей, а именно на основе индуктивных датчиков и дифференцированных датчиков Холла.
Индуктивный датчик, представленный на рисунке 1, относится к пассивным датчикам антиблокировочной системы автомобиля. В большинстве случаев такие датчики обладают более крупными размерами, нежели их аналоги, при этом имеют меньшую точность, что значительно влияет на безотказность автомобиля. Вместе с тем датчики рассматриваемого типа начинают выполнять свои функции лишь в момент достижения колесом автомобиля определённой минимальной скорости вращения, что в определённых ситуациях может отрицательно отразиться на безопасности.
Основной принцип работы датчиков индуктивного типа заключается в следующем: постоянный магнит создает магнитное поле, которое проходит через катушку и зубчатое колесо, а затем назад. Вращение зубчатого колеса приводит к изменению поля, что в свою очередь возбуждает электрический ток (так называемая синусоида) в зависимости от наличия зуба [2, 4].
Рис. 1. Индуктивный датчик АБС
1. Постоянный магнит; 2. Корпус; 3. Железный сердечник; 4. Катушка; 5. Зазор; 6. Зубчатое колесо с опорным зазором (зуба нет)
Дифференцированные датчики Холла относятся к группе активных датчиков АБС, поскольку они для начала своего функционирования нуждаются во внешнем питании. Датчики Холла, наряду со своей высочайшей точностью, очень чувствительны к выбору места установки, а это не всегда удобно, и сильно чувствительны к загрязнению, которое неизбежно при эксплуатации автомобиля.
Принцип измерения описанного типа датчиков основан на так называемом эффекте Холла. Бесконтактное обнаружение магнитных полей. Чувствительный элемент датчика называется ИС Холла. Этот элемент встроен в датчик. Постоянный магнит формирует магнитное поле позади ИС Холла. Магнитное поле проходит через ИС Холла и зубчатое колесо. Когда зубчатое колесо вращается, магнитное поле изменяется. ИС измеряет изменение поля и принимает во внимание изменение прямоугольного сигнала [2, 4].
Рис. 2. Дифференцированный датчик Холла
1. Зубчатое колесо; 2. Соединитель; 3. Выходной сигнал; 4. Постоянный магнит; 5. Магнитное поле; 6. Интегральная схема (ИС) Холла
В целом правильное функционирование классической системы измерения угловой скорости колеса антиблокировочной системы (основанной на одном из описанных выше типов датчиков) зависит в большей степени от следующих условий и факторов:
1. Наличие постоянной электрической связи между датчиком и электронным блоком управления (ЭБУ), которая осуществляется посредством электропроводки. окисление токоведущих проводов или обрыв проводки — основные причины отсутствия электросвязи, и как следствие неисправной работы АБС или её отказа;
2. Несоблюдение предписаний по монтажу датчика могут повлечь проблемы и стать причиной отказа АБС при последующей эксплуатации автомобиля. Основным фактором в этом случае будет несоблюдение величин зазоров, нормированных заводом изготовителем. При монтаже величина зазор определяется посадкой и правильным закрепление датчика [3], а это не всегда может быть обеспеченно по причине недостаточного уровня квалификации ремонтного рабочего, выполняющего операцию (особенно в условиях весьма распространённого самостоятельно гаражного ремонта, выполняемого автовладельцами, и так называемых «гаражных автосервисов»);
3. Следствием неправильно демонтажа и последующей установки элементов также становится износ посадки вал-отверстие. Рассматривается дальнейшее возникновение дефектов при последующей эксплуатации, во многих случаях сбой в работе АБС могут быть вызваны такими дефектами подшипников ступицы, как износ, задиры, коррозия, которые повлекут за собой появление осевого и радиального биений. Последние непосредственно влияют на величину зазора между коммутирующим кольцом и чувствительным элементом датчика.
4. Стоит остановиться и на изменениях коммутирующих элементов. Изменение нормального выходного сигнала с датчика — нарушение его пропорциональной зависимости от развиваемой колесом угловой скорости, часто возникает по причине изменением геометрических, физических и структурных свойств задающего элемента датчика (зубчатый или магнитный ротор, установленный на ступице). Причинами этому могут служить металлические намагничивающиеся и налипающие частицы износа деталей узлов систем автомобиля, в частности тормозной системы.
Анализируя всё вышесказанное и принимая во внимания всё описанные причины появления дефектов и отказов в работе АБС, мы можем говорить о том, что решением обозначенных проблем предлагаемое нами принципиально новую схему передачи сигнала от датчика в ЭБУ автомобиля, изображённую на схеме (рисунок 3).
Рис. 3. Принципиальная схема беспроводной передачи от датчика в ЭБУ автомобиля
Рассмотрим схему более подробно. Первое её принципиальное отличие от ныне существующих — это установка ДУС — акселерометра непосредственно на автомобильное колесо (см. рис. 4) [1, с. 494]. Выполнить это позволяет современный уровень развития и уже существующий опыт использования в других отраслях технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС) — устройств, объединяющие в себе микромеханические и микроэлектронные компоненты. Главное преимущество этой технологии — это её компактность, что и позволило предложить описанный вариант установки датчика. Для устранения отрицательного воздействия на работу датчика загрязнений, датчик помещается в герметичный корпус.
Основным преимуществами такого способа установки ДУС является значительное повышение точности измерения угловой скорости, что достигается за счёт исключения воздушного зазора между чувствительным элементом датчика и коммутирующим кольцом.
Погрешность, возникающие при измерении угловой скорости автомобильного колеса можно уменьшить за счёт установки в нескольких датчиков с различными диапазонами измерения, или двух- или трёхкомпонентных датчиков, способных производить измерения вдоль двух или трёх осей соответственно.
Предложенное решение установки датчика непосредственно на автомобильное колесо затрудняет возможность проводной передачи сигнала от датчика к ЭБУ. Решением этой проблемы с нашей точки зрения может стать использование таких беспроводных технологий передачи данных, как Bluetooth- или RF-передатчиков, осуществляющих связь между сенсором и контроллером. Такие передатчики помимо того, что решат свою основную задачу в предложенной нами схеме работы АБС, ещё и значительно упростят электросистему автомобиля путём отказа от части проводки. А это в свою очередь позволит в целом повысить надёжность автомобиля.
Рис. 4. Место крепления датчика на колесе автомобиля
1. Обод колеса; 2. Подшипник ступицы; 3. Ступица; 4. Датчик
Литература:
1. Балакина Е. В., Сатонин А. А. Микроэлектромеханический датчик угловой скорости автомобиля. В кн.: Материалы международно-практической конференции Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. / Под ред., С. У. Увайсова; Отв. за вып. И. А. Иванов — М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2012, c. 492–495. [Электронный ресурс]. URL: http://window.edu.ru/resource/335/78335/files/info2012.pdf (дата обращения: 24.04.2014).
2. Бараночников М. Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. — М: ДМК Пресс, 2001. — 544 с. ил. (Серия «Учебник») Электронная версия 373 с.
3. Сысоева, С. С. Датчики скорости автомобиля. Анализ конструкций и перспективы развития / Сысоева С. С // Компоненты и технологии. — 2004. — № 8. — С.84–89.
4. https://www.trwaftermarket.com/ru-RU/ (дата обращения: 24.04.2014).
