Обоснование необходимости и состав
Электронные системы, обеспечивающие управление тормозами, по функциональному назначению, могут быть классифицированы на антиблокировочные, регулирования тормозных сил и полностью электронные.
Положительное влияние тормозных антиблокировочных систем (АБС) на безопасность автотранспортных средств уже не требует доказательств: проблемы их создания и серийного производства для мирового автомобилестроения решены. В настоящее время завершается и этап регламентации их свойств в международных предписаниях, после чего следует ожидать, что АБС станет столь же неотъемлемой частью автомобиля, как и сами тормоза. В частности, уже существуют требования к АБС (Приложение 13 к Правилам № 13 ЕЭК ООН), а также соглашение об обязательном оснащении этой системой некоторых категорий транспортных средств. В странах Общего рынка эксплуатация междугородных и туристских автобусов, а также большегрузных автомобилей и автопоездов, не оборудованных АБС, запрещена с 1 октября 1991 г. Но и без этого ограничения, несмотря на значительную цену (4-7% цены автотранспортного средства), число заказов на автомобили с АБС стремительно возрастает. Пока контракты, связанные с автомобилями высшего класса и специальными, поделены между фирмами «Bosch», «Tevis» (ФРГ) и «Bendix» (США); компания «Kelsi-Hase» охватывает заказчиков с большими объемами производства: грузовые автомобили «Mazda», «Isudzu» (Япония), «Ford» (США).
Электронные блоки управления АБС различаются внутренним содержанием, а главное - алгоритмом функционирования (достижения в этой области составляют предмет тщательной охраны, так как в наибольшей степени определяют качество системы в целом).
Блокировка колес автомобиля в процессе торможения крайне нежелательна, так как увеличиваются тормозной путь и вероятность заноса автомобиля. Антиблокировочная система препятствует блокировке колес при резком торможении, благодаря чему полностью сохраняется управляемость автомобиля.
Основной задачей АБС является поддержание в процессе торможения автомобиля такого тормозного момента, который при данном состоянии дорожного покрытия исключает возможность блокировки колес и обеспечивает максимально возможный эффект торможения.
Для решения данной задачи АБС должна в зависимости от характера изменения частоты вращения затормаживаемых колес автоматически изменять давление в цилиндрах или тормозных камерах исполнительных тормозных механизмов. При этом необходимо обеспечить высокое быстродействие регулирования давления, для чего используют быстродействующие клапанные устройства с электромагнитным приводом (так называемые модуляторы давления).
Для обеспечения нормального функционирования системы она должна непрерывно сравнивать скорость автомобиля и частоту вращения затормаживаемого колеса. Основная трудность решения этой задачи связана с отсутствием надежных и простых методов определения скорости автомобиля, т.е. методов, не связанных с измерением частоты вращения его колес. Поэтому для оценки скорости автомобиля в АБС используют те или иные косвенные методы. Один из алгоритмов основан на сопоставлении реальной частоты вращения колеса и так называемой опорной частоты вращения, рассчитываемой в каждый момент времени системой управления. Принципиальная схема АБС приведена на рис. 58.
Рис. 58. Электропневматическая схема АБС: 1 - трубопровод; 2, 5 и 6 - соответственно перепускной, управляющий и редукционный клапаны; 3 - поршень; 4 - плунжер; 7 - трубопровод задних тормозных механизмов; 8 - главный тормозной цилиндр; 9 - воздуховод; 10 -компьютер; 11 - датчик скорости колеса
Основными компонентами антиблокировочной тормозной системы являются: регулятор давления, изменяющий тормозное усилие, которое прикладывается к колесу; компьютер, анализирующий изменение скорости колеса, а также обеспечивающий управление давлением в регуляторе; датчики частоты вращения колеса, устанавливаемые в колесных узлах автомобиля.
Колесные датчики
Колесные датчики подвержены вибрациям, ударам, влиянию агрессивных сред, низких (-60°C) и высоких (120°C) температур. Следовательно, эти датчики должны быть устойчивыми к воздействию перечисленных факторов, кроме того, быть дешевыми, простыми в эксплуатации, а в случае выхода из строя - легко монтироваться и демонтироваться.
Как показали исследования, из всех существующих датчиков частоты вращения всем этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют магнитоэлектрические пальчикового типа с открытой магнитной цепью датчики, выпускаемые германскими фирмами «Bosch» и «Vabco», а также максимально унифицированные с ними по своим установочным размерам (длина стакана-пальца 40 мм, диаметр 16,8 мм), отечественные КМЭД-4М-1989 (разработаны НПКО АНТ-3 по заказу НПО «Автоэлектроника»).
Магнитный поток в таких датчиках коммутируется ферромагнитным коммутатором в виде зубчатого колеса-ротора 3 (рис. 59), напрессованного на крышку 2 сальника ступицы 1 колеса автомобиля, причем зубья колеса-ротора передних колес расположены по торцу, задних - по образующей наружной поверхности колеса-ротора, что связано с конструктивными различиями передних и задних тормозных узлов автомобиля.
Рис. 59. Магнитоэлектрический датчик пальчикового типа с открытой магнитной цепью
Датчики 5 передних колес установлены в цапфе 7, задних - в приливе на кожухе полуоси. Они крепятся при помощи цилиндрической не ферромагнитной пружины 4 в немагнитной втулке 6. Данный способ крепления, с одной стороны, позволяет уменьшить влияние ферромагнитных масс колес автомобиля на работу датчиков, с другой - облегчает их монтаж-демонтаж и самоустановку с минимально возможным зазором между торцом датчика и зубьями колеса-ротора.
Датчик в гнезде ставится «до упора», поэтому зазора между его торцом и зубом колеса практически нет. При прокручивании колеса датчик, касаясь своей торцевой поверхностью зубьев колеса-ротора, перемещается от него на минимально возможное расстояние и удерживается в этом положении за счет сил трения между его наружной поверхностью, внутренней поверхностью пластинчатой пружины.
Рассмотрим устройство магнитоэлектрических датчиков, применяемых в АБС и ПБС.
Основные элементы датчика EPD 28879А (рис. 60) фирмы «Bosch» - магнит 5 и катушка, соединенные наконечником-стержнем 1 из магнитомягкого материала (каркас 2 катушки опрессован в горячем состоянии по буртику стержня 1 и составляет с ним единое целое). Выводы обмотки 3 катушки подключены к цилиндрическим штырям, которые вместе с южным полюсом магнита 5, латунной фиксирующей трубкой 8 и экранированным двужильным кабелем 12 также опрессованы высокотемпературной пластмассой в корпусе 7. Магнит и обмотка защищены от воздействия окружающей среды стаканом 4 из немагнитной стали, завальцованным через резиновый уплотнитель 6 по буртику на корпусе 7. Вывод кабеля закрыт резиновой трубкой 11, которая на датчике крепится обжимным кольцом 10 через латунную подкладку 9. Второй конец трубки прижимается к кабелю посредством резинового кольца 13.
Рис. 60. Магнитоэлектрический датчик EPD 28879А - фирмы «Bosch»
Достоинством датчика является его жесткость (даже монолитность), в то время как вывод выполнен мягким (эластичным), что особенно важно, учитывая условия его работы; недостатки - сложность изготовления (в целях обеспечения соосности всей магнитной системы необходимо добиться высокой точности изготовления поверхностей магнита и стержня), невысокая чувствительность.
Устройство датчика фирмы «Vabco» 224WO42 идентично рассмотренному, хотя у него есть особенности: объем магнита увеличен, причем его полюсный наконечник-стержень, соединенный с южным полюсом магнита, является концентратором магнитного потока, объем же катушки, наоборот, уменьшен за счет намотки ее более тонким проводом; внешняя часть (головка) покрыта силиконовой резиной. Благодаря этим усовершенствованиям, а также более высокому уровню технологии изготовления выходные характеристики датчика выше, чем датчика фирмы «Bosch». Однако на универсальном оборудовании его выпускать невозможно: для его производства требуются специальные материалы, особые оборудование и оснастка, применение которых в мелкосерийном производстве нерентабельно.
В отличие от рассмотренных датчиков зарубежных фирм, отечественный КМЭД-4М-1989 имеет весьма простую и оригинальную конструкцию (рис. 61). В нем кабель для снятия информации расположен вдоль оси, постоянных магнитов - два, причем они самарий-кобальтовые (КС10ММ27) и уменьшенного объема; дополнительно введен верхний полюсный наконечник 2 в целях увеличения чувствительности; полости залиты компаундом 1 на основе эпоксидной смолы.
Рис. 61. Отечественный магнитоэлектрический датчик КМЭД-4М-1989
Датчик технологичен, дешев, надежен и, самое главное, как показали исследования (табл. 6), по чувствительности превосходит зарубежные аналоги. Он применим и в других областях машиностроения - там, где требуется точная информация о характеристиках вращающихся масс.
Таблица 6
Показатель | Датчик | ||
EPD 28879А-1985 | 224WO42-1987 | КМЭД-4М-1989 | |
Габаритные размеры (без кабеля), мм | 58x21x79 | 58x20x60 | 74x22x22 |
Диаметр / длина, мм,установочной части стакана | 16,8/40 | 16,8/40 | 16,8/40 |
Длина кабеля, мм | 1910 (без вилки) | 330 (с вилкой) | 340 (без вилки) |
Число витков обмотки | 9075 | 13000 | 13000 |
Диаметр провода, мм | 0,07 | 0,063 | 0,071 |
Сопротивление, Ом | 1241 | 1850 | 1670 |
Амплитуда выходного сигнала (чувствительность), мВ | 70 | 130 | 185 |
Масса (без кабеля и вилки), г | 60 | 45 | 55 |