655

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

В.В. Решедько

ЭЛЕКТРОНИКА И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ И ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Новосибирск 2009

УДК 629.1.066

Р47

Решедько В.В. Электроника и электрооборудование транспортных и транспортнотехнологических машин: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2009. – 227 с.

ISBN 5-93461-380-4

Изложены вопросы устройства, принципы действия и основные эксплуатационные показатели отдельных элементов, электронных приборов и систем электрооборудования транспортных и транспортно-технологических машин.

Рассмотрены часто встречающиеся отказы в работе систем, причины отказов и рекомендации по их устранению. Особое внимание уделено надежности работы электрооборудования и вопросам диагностики систем, в том числе и электронных.

Пособие предназначено для студентов специальностей 190601, 190603 дневной и заочной форм обучения и будет полезно при изучении дисциплины «Электроника и электрооборудование транспортных и транспортно-технологических машин», при выполнении расчетно-графической работы, при дипломном проектировании по разделам «Электроника и электрооборудование машин» и «Устройство машин».

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия.

Ответственный редактор канд. техн. наук, доц. П.Т. Пономарев

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Электротехника» Самарского государственного университета путей сообщения (завкафедрой д-р техн. наук, проф. А.Е. Дубинин)

зам. директора Института горного дела СО РАН д-р техн. наук, проф. Б.Н. Смоляницкий

Принятые обозначения

АКБ — стартерная аккумуляторная батарея АЦП — аналого-цифровой преобразователь

БТСЗ — бесконтактная тиристорная система зажигания ВАХ — вольт-амперная характеристика ВМТ — верхняя мертвая точка ГУ — генераторная установка

ДВС — двигатель внутреннего сгорания КБСЗ — контактная классическая батарейная система зажигания

КТСЗ — контактно-транзисторная система зажигания КТР — контактно-транзисторный регулятор КСЗ — конденсаторная система зажигания ЛВС — локальная вычислительная сеть МП — микропроцессор МЭД — магнитоэлектрический датчик ОВ — обмотка возбуждения

ОТ — реле ограничения максимального тока ПЗУ — постоянно запоминающее устройство ПО — последовательная обмотка РН — реле напряжения РР — реле-регулятор

РОТ — реле обратного тока ТС — транспортное средство

ТТМ — транспортные и транспортно-технологические машины УО — ускоряющая обмотка ЭБУ — электронный блок управления

ЭМК — электромагнитный клапан ЭПХХ — экономайзер принудительного холостого хода

ЭСАУ — электронная система автоматического управления ЭСАУ-Д — электронная система автоматического управления двигателем

3

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс в области двигателестроения и конструирования машин идет по пути увеличения их мощности, надежности, безопасности движения, экологической безопасности, совершенствования технической эстетики и повышения экономичности.

В последнее десятилетие парк машин в России ежегодно увеличивается на 7–10 %. Парк состоит из нескольких групп: легковые, грузовые, специальные, транспортно-технологические машины и др.

Транспортно-технологическая машина (ТТМ) представляет собой транспортное средство (ТС), на борту которого могут находиться технологические установки различного назначения: компрессор, крановая установка, электростанция, бетономешалка, насосная станция, бензозаправщик и др. В России в роли ТС чаще используются грузовые автомобили фирм: ГАЗ, ЗИЛ, КамАЗ, МАЗ, БелАЗ, КрАЗ и др.

Существует большая группа технологических машин, имеющих «собственное» шасси. К ним относятся экскаваторы, скреперы, бульдозеры, краны на пневмо- и гусеничном ходу. Машины данной группы являются строительно-дорожными.

Впоследнее время малыми сериями выпускаются электро- и гибридные автомобили. Основные аргументы в пользу эксплуатации таких ТС ― отсутствие или снижение выбросов токсичных веществ и сокращение потребления нефтепродуктов. Гибридные автомобили состоят из двигателя внутреннего сгорания (ДВС), тягового электродвигателя и аккумуляторной батареи (АКБ). Во время движения ТС за городом, когда загрязнение атмосферы не столь опасно, работает ДВС. При этом одновременно подзаряжается АКБ. В городе привод ТС осуществляется электродвигателем, подключенным к АКБ. АКБ таких электромобилей могут подзаряжаться в непиковые (ночные) часы с целью более рационального использования ресурсов электроэнергии. Недостатком, сдерживающим широкое производство такого типа автомобилей, является отсутствие у него необходимого бортового источника электрической энергии.

Машины всех вышеперечисленных групп имеют устройства управления узлами и агрегатами, контроля, диагностики, сигнализации, обеспечения безопасности работы и т.д., которые реализуются с помощью электрических, электромеханических и электронных приборов и систем.

Внастоящее время существенное развитие и внедрение получили разработки новых элементов электрооборудования и электронных систем ТТМ с применением бортовых микропроцессоров и компьютеров, без чего невозможно обеспечить техническую эксплуатацию и все возрастающие требования экологии.

Электротехнические устройства, средства электронной автоматики, электронные системы управления, микропроцессоры и бортовые компьютеры позволяют улучшить условия эксплуатации машин, предотвратить угоны и несчастные случаи, обеспечить безопасные и комфортные условия работы водителя (машиниста) и пассажиров и др.

Увеличение количества электрических устройств и приборов машин, а также длины бортовых монтажных проводов, разветвлений и разъемов электрооборудования приводит к повышению стоимости, усложнению эксплуатации и снижению надежности. Надежность работы электрооборудования существенно влияет на эксплуатацию машин в целом. Известно, что отказы работы машины изза электрооборудования составляют порядка 30 % от общего количества. Затраты на электрооборудование достигают 20 % стоимости ТТМ и даже выше. Особенно это относится к ТТМ с энергетическими установками, а также к современным легковым «упакованным» автомобилям.

Впроцессе эксплуатации ТТМ техническое обслуживание и ремонт бортовых технологических установок производится, как правило, на специализированных предприятиях соответствующего профиля. Поэтому при эксплуатации ТТМ наибольшая доля затрат приходится на диагностику и ремонт самого транспортного средства, в том числе и систем электроники и электрооборудования. Исходя из этого, в данном пособии большое внимание уделено электрическим и электронным приборам и системам ТС.

Втексте пособия используются в основном общепринятые обозначения, понятия, термины и определения.

4

ТЕМА 1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОННОГО

ИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ

ИТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Классификация приборов, электронных систем и устройств электрооборудования машин.

Электронное управление двигателем. Диагностические функции системы управления двигателем.

Система управления курсовой устойчивостью. Современная информационная система водителя. Навигационные системы транспортных средств.

Системы охранной сигнализации и противоугонные устройства. Мультиплексные системы передачи информации

1.1.Классификация приборов, электронных систем

иустройств электрооборудования машин

Электрооборудование ТТМ по выполняемым функциям можно условно разделить на группы, которые включают множество составляющих [2, 10, 22, 28]. Ниже рассмотрена блок-схема приборов, электронных систем автоматики и электрооборудования машин (рис. 1.1), используемых в серийно выпускаемых ТТМ. В электрических схемах ТТМ элементы, приборы и устройства электрических и электронных систем имеют цифровое (прил. А, табл. А1), буквенное (табл. А2, А3) и графическое (табл. А4) обозначения.

Номенклатура и основные характеристики приборов, устройств и систем электрооборудования ряда ТТМ отечественного производства представлены в прил. Б, табл. Б1.*

Новейшие системы автомобильной бортовой автоматики, благодаря широкому разнообразию принципов действия их составных подсистем, кардинально отличаются от классических электронных систем. В зависимости от назначения машин в их новые системы в качестве основных компонентов могут входить не только электрические и электронные узлы и блоки, но и механические, гидравлические, светооптические, ультразвуковые и другие устройства, имеющие неэлектрическую природу функционирования. Их роль в реализации заданной функции управления является главной, хотя все информационные процессы в системе реализуются электронными блоками управления (ЭБУ), а в новейших системах ― бортовыми микропроцессорами и компьютерами.

Приборы, электронные системы и устройства электрооборудования машин

Рис. 1.1. Блок-схема классификации приборов и электронных систем электрооборудования транспортных и транспортно-технологических машин

По принципу действия такие системы нельзя считать ни механическими, ни электрическими, ни электронными. Поэтому новейшие системы бортовой автоматики машин в настоящее время получили новое название ― автотронные системы [19, 28].

5

Ниже рассмотрены примеры ряда систем, характеризующие тенденции и перспективные направления развития бортовой электронной автоматики и электрооборудования ТТМ [5, 10, 11].

1.2. Электронное управление двигателем

Необходимость электронного управления ДВС обусловлена требованиями повышения мощности, экономичности и уменьшения загрязнения окружающей среды за счет снижения токсичности отработавших газов. Это достигается точностью дозирования соотношения между массами воздуха и топлива в горючей смеси; точностью момента искрообразования (угла опережения зажигания) на всех режимах работы бензиновых ДВС и др. [5, 10, 12, 14].

В дизельных двигателях топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры и воспламеняется за счет разогрева сжатого воздуха. В общем случае на процесс сгорания топлива сильно влияет точность синхронизации его впрыска и воспламенения. Экономия топлива в ДВС с электронным управлением достигается за счет более точного дозирования его на всех режимах работы и отключения подачи в случаях, когда это допустимо, например, при торможении двигателем [19, 22, 24].

Тенденции развития автомобильной бортовой электроники таковы, что специализированные по исполняемым функциям системы управления поршневыми бензиновыми двигателями — система зажигания, система впрыска топлива, система пуска холодного ДВС, система стабилизации холостых оборотов, система рециркуляции и нейтрализации выхлопных газов и т.д., — интегрируются в единую комплексную электронную систему автоматического управления ДВС (ЭСАУ–Д) [14, 16, 22, 28].

Следует отметить, что ЭСАУ, в свою очередь, входит составной частью в общую бортовую систему управления, реализованную с применением новейших компьютерных технологий.

1.3. Диагностические функции системы управления двигателем

Любая современная микропроцессорная система управления ДВС обладает некоторыми диагностическими возможностями. Эти возможности реализуются микропроцессором в соответствии с программой, заложенной в ее постоянной памяти. Когда микропроцессор не полностью загружен выполнением основных управляющих алгоритмов, то он может выполнять диагностические функции (в фоновом режиме) [10, 19, 24, 28].

В США, например, разработан стандарт программного обеспечения бортовых диагностических систем. Доступ к системной информации ЭБУ осуществляется сканерами, а так как процесс диагностики электронных систем стандартизирован, то один и тот же сканер без специальных адаптеров можно использовать для тестирования автомобилей всех марок, эксплуатируемых в США. Это особенно удобно для предприятий капитального ремонта и автосервиса. Так, например, программное обеспечение ЭБУ-Д позволяет осуществлять диагностику и самотестирование в фоновом режиме с помощью специальных систем непрерывного наблюдения — семи мониторов. Эти системы диагностируют одновременно ряд устройств: каталитический нейтрализатор, датчик кислорода, пропуски искрообразования и воспламенения топливной смеси, топливную систему, систему улавливания паров топлива в баке, систему рециркуляции выхлопных газов, систему подачи воздуха в выпускной коллектор и т.д. Каждый монитор осуществляет тестирование по различным программам. Результаты тестирования передаются в память ЭБУ, где записываются коды ошибок. Если неисправность подтверждается дважды, то зажигается индикатор соответствующей неисправности (световой сигнал) [19, 30].

Система с восьмым монитором контролирует автономно входные и выходные сигналы элементов и подсистем вне деятельности семи мониторов. Она может установить обрыв в цепи, замыкание, несоответствие сигнала норме. Система восьмого монитора контролирует сигналы следующих устройств: датчика массового расхода воздуха, датчика температуры охлаждающей жидкости, датчика температуры воздуха, датчика положения дроссельной заслонки, датчика положения коленчатого вала, датчика положения распределительного вала, датчика бензонасоса и др. Общее количество возможных датчиков на ТТМ достигает 40 единиц.

При обнаружении неисправностей контроллер ЭБУ переходит в аварийный режим работы, подставляя в алгоритм подходящее значение параметра вместо того, которое дает неисправный блок. Например, если контроллер обнаружит неисправность в цепи датчика температуры охлаждающей жидкости, программа установит значение температуры для штатной работы ДВС (порядка 80 0С) и будет использовать это значение при реализации управляющих алгоритмов при движе-

6

нии машины. Замещающее значение будет храниться в памяти ЭБУ. Информация о неисправности или отказе системы передается водителю с помощью светодиодов на приборную панель.

Подобные системы разработаны также рядом европейских автофирм.

1.4. Система управления курсовой устойчивостью

Комплекс автоматического управления курсовой устойчивостью «Система VDC» с 1995 г. устанавливается на эксклюзивных легковых автомобилях. «Система VDC» ― система активной безопасности машины. Она постоянно контролирует действия самого водителя. В чрезвычайных ситуациях, например, при резких поворотах на скользкой дороге, она автоматически включается в процесс управления ТС и предотвращает возможность возникновения боковых заносов машины. При этом система VDC адаптирует крутящий тяговый момент ДВС и тормозные усилия на колесах машины под заданное рулем направление движения. Система активной подвески удерживает машину от бокового наклона.

Для реализации такого способа автоматического управления курсовой устойчивостью в компонентный состав системы VDC включено гироскопическое устройство, которое является датчиком сигнала отклонения направления движения от продольной (вертикальной) оси автомобиля. Гироскоп ― это своего рода вестибулярный аппарат системы VDC, реагирующий на малейшие отклонения ТС от направления его движения.

Система VDC не является системой беспилотного управления, а лишь дополняет действия водителя, оставляя за ним ответственность за выбор направления движения на дороге, не вмешиваясь в его управляющие действия до тех пор, пока движение машины происходит штатно (без юза колес, бокового заноса и предельно допустимого наклона машины) [19, 22, 28]. Назначение VDC

— исключить аварийную ситуацию.

1.5. Современная информационная система водителя

Бортовая информационная диагностическая система является составной частью любой ТТМ. Она предназначена для сбора, обработки, хранения и отображения информации о ДВС, о режиме движения и техническом состоянии всего ТС, а также об окружающих внешних воздействиях и других дополнительных факторах.

Сегодня система «водитель – автомобиль – дорога – среда» рассматривается как единое целое. Улучшение движения на перегруженных автомагистралях возможно лишь в том случае, когда водитель имеет оперативную информацию о техническом состоянии управляемого ТС, состоянии дороги, транспортных потоках. Это в полной мере относится и к ТТМ.

Правительства многих стран финансируют проекты, направленные на увеличение безопасности, эффективности, пропускной способности, на уменьшение загрязненности окружающей среды

вгородах и на крупных магистралях. Например, в США и Японии такой проект называется ITS (intelligent transportation system), в Европе ― Telematic. Проекты включают создание инфраструктуры и необходимой бортовой аппаратуры для оптимальной организации движения транспортных средств единым потоком «бампер к бамперу», передачи водителям оперативных рекомендаций, предупреждений и др.

Имеющиеся технологии уже сегодня позволяют частично реализовать современную информационную систему водителя. На рис. 1.2 приведена блок-схема перспективной информационной системы водителя [11, 19, 22].

Система дистанционного управления дверными замками транспортного средства широко используется в настоящее время. Портативный передатчик, инфракрасный или радио, умещающийся

вруке (брелок), посылает цифровой код бортовому приемному устройству. Если код набран правильно, срабатывает исполнительный механизм и дверные замки открываются. Если система опознает дважды ложные кодовые посылы, то двери блокируются замками. После этого их можно открыть только ключом. Повторное включение автоматически меняет код задающего и исполнительного электронных приборов. Подобное решение защиты ТС усложняет подбор кодов какимлибо электронным устройством с целью угона машины.

7

Рис. 1.2. Блок-схема перспективной информационной системы водителя

Система связи «автомобиль – дорога» обеспечивает передачу сообщений по радио от дорожных информационных служб водителю машины. Система представляет собой инфраструктуру из приемопередатчиков небольшой мощности, установленных на дорогах, и устройств генерации сообщений. Локальный приемопередатчик имеет ограниченный набор фиксированных сообщений. Различные сообщения может генерировать стационарный компьютер и передавать их локальным точкам (например, о пробках на данном маршруте).

Приемопередатчики информационной системы могут автоматически получать информацию от проходящих мимо автомобилей с помощью установленных на них транспондеров.

Транспондер ― это автоматический приемопередатчик, устанавливаемый на подвижных объектах. В ответ на кодовый посыл транспондер передает требуемую информацию об объекте, на котором он установлен. За рубежом в автомобилях транспондеры используются для дистанционного взимания платы за проезд по платным шоссе, получения информации о загрузке проходящих грузовиков и др. [19, 22]. Система позволяет дистанционно получать информацию о техническом состоянии ТС от бортовой диагностической системы и передавать соответствующим сервисным предприятиям. В случае обнаружения отклонений в работе ДВС, трансмиссии и других узлов (в том числе и самих электронных систем и приборов) информация поступает водителю соответствующим текстом на дисплее или в звуковом варианте прочтением этого текста бортовым компьютером [11, 29, 30].

Бортовой цифровой аудио-видеокомплекс состоит, как правило, из CD-проигрывателя и радиоприемника. Система передачи сообщений по радио имеет дополнительный канал в УКВ-диапазоне. Для этого используется специальный приемник. По радиоканалу дополнительно передается (дублируется) различная предупреждающая информация о качестве дороги: гололед, туман, оползни.

В последнее время используются бортовые компьютеры с выходом в Internet. Создано программное обеспечение, позволяющее распознавать речь человека. Например, программа «Via Voice» фирмы IBM позволяет водителю машины давать команды голосом: запереть двери; включить CD-проигрыватель; настроиться на такую-то радиостанцию; запросить направление движения или сведения о дорогах. Водитель может прочитать поступившую электронную почту, запросить биржевые или иные новости, связаться по сотовому телефону с необходимым номером и др. Технология управления голосом позволяет отказаться от многих кнопок и индикаторов на приборной панели и тем самым улучшить условия эксплуатации ТТМ.

Бортовой компьютер выдает водителю различную информацию, необходимую на маршруте, управляет средствами связи автомобиля с внешним миром и навигационной системой. Все услуги связи стационарного офиса можно использовать на борту ТС: факсимильная связь, автоответчик, компьютер, подключенный к сети Internet, и т.д. Водителю доступна электронная почта. Практически ТС уже сегодня может быть превращено в офис на колесах.

8

Бортовой компьютер определяет точное время и дату, расход топлива, скорость и пройденное расстояние. На дисплее может быть указана следующая информация: время, день недели и дата; средняя скорость на маршруте; время в пути; средний расход топлива на маршруте; расход топлива по участкам; расстояние, которое может пройти ТС на оставшемся запасе топлива, и т.д.

Если при выезде водитель ввел в бортовой компьютер расстояние до пункта назначения, он будет выдавать информацию об ожидаемом времени прибытия и расстоянии, оставшемся до конечного пункта, о достаточности горючего и др.

На бортовой компьютер поступают сигналы от компаса, датчика скорости вращения колес, датчика положения руля и других устройств. Он автоматически осуществляет анализ поступающих сигналов от датчиков (порядка 40 единиц) и выдает необходимую информацию о состоянии машины. Компьютер может осуществлять следующие контролирующие функции:

–индикация неисправности сигналов торможения;

–индикация неисправности световых сигналов;

–индикация открытого состояния двери или багажника;

–индикация низкой температуры окружающей среды;

–индикация предельно низкого уровня охлаждающей жидкости в двигателе;

–индикация наименьшего уровня масла в картере;

–индикация предельно низкого уровня жидкости в бачке омывателя стекла;

–индикация чрезмерного износа тормозных колодок;

–индикация работы тормозной системы и ряд других важных показателей.

1.6. Навигационные системы транспортных средств

Навигационное счисление ― это метод определения координат движущегося объекта (самолета, автомобиля, судна и т.д.) по отношению к стартовой точке. Используется сумма векторов пройденных расстояний, информация о направлениях поступает с датчика азимута (компаса) и датчика скорости колес. На рис. 1.3 показана структура навигационной системы GPS.

Рис. 1.3. Структура навигационной системы GPS

Навигационное счисление дает низкую точность определения текущих координат объекта, поэтому путь сравнивается и корректируется по электронной карте, хранящейся на CD-Rom. Кроме определения текущих координат автомобиля, навигационная система может выдавать информацию о выборе по карте кратчайшего маршрута.

Система глобального позиционирования GPS (США) используется для определения абсолютных координат объекта на Земле (рис. 1.4). Она состоит из 18 действующих основных и 3 запасных спутников на околоземных орбитах, запущенных Министерством обороны США в период с 1980 по 1992 г. На спутниках установлены атомные часы. Со спутников периодически на Землю посылаются сигналы о системном времени и параметрах орбиты. Точность определения координат движущихся на Земле объектов составляет до ±5 м [19, 22, 28].

9

Рис. 1.4. Спутниковая навигационная система

Россия завершила создание аналогичной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая связь) из 24 спутников, с помощью которой можно определять местонахождение (координаты) любого объекта на Земле в любой точке мира. Это полностью исключает зависимость отечественной поисковой системы от системы GPS. Передатчики спутников работают на нескольких частотах, что улучшает связь. Приемники отечественной навигационной системы могут принимать сигналы не только от спутников ГЛОНАСС, но и от GPS и создающейся европейской системы «Галилео». Точность определения координат с помощью ГЛОНАСС составляет порядка ±1 м [28].

1.7.Системы охранной сигнализации

ипротивоугонные устройства

Электронные противоугонные системы для защиты машин условно подразделяются на три уровня.

1.Защита по периметру. Система такой защиты использует микровыключатели для контроля открывающихся панелей машины (двери, капот, багажник). При попытке несанкционированного открытия объекта включаются звуковой и световой сигналы. При включении сигналов о несанкционированном проникновении «срабатывают» блокировочные контакты системы, выключение которых (прекращение подающего сигнала) возможно только после набора кода. Некоторые системы дополняются датчиками, способными обнаруживать движение тела.

2.Защита по объему. Система с помощью инфракрасных, ультразвуковых или микроволновых датчиков обнаруживает несанкционированное движение внутри салона ТС.

3.Иммобилизация двигателя. Она осуществляется специальным электронным блоком управления (ЭБУ), исключающим (при получении сигнала тревоги) пуск ДВС. Это может быть выполнено следующими способами:

– аппаратной иммобилизации, при которой некоторые электрические цепи системы пуска ДВС разрываются специальными реле или полупроводниковыми переключателями;

– программной иммобилизацией, когда после сигнала противоугонной системы с помощью ЭБУ исключается пуск ДВС, например, делаются недоступными подача топлива и искрообразование. При этом ДВС будет «проворачиваться» стартером, но не запустится.

Система дистанционного управления состоит из портативного передатчика, размещенного в брелке или в самом ключе, и приемника, подключенного к ЭБУ противоугонного устройства в центральном замке. Противоугонная система включается и выключается передатчиком путем посыла соответствующего цифрового кода. Для повышения секретности линий связи многие противоугонные системы используют набор кодов, т.е. при каждом нажатии кнопки передатчика посылается новый код последующего набора [11, 19, 22, 28].

Противоугонные системы постоянно совершенствуются. Одним из вариантов является использование электронного иммобилизатора с микротранспондером в ключе зажигания. Замок зажигания срабатывает, если код, полученный специальным приемником от транспондера, совпадает с

10