Исследование работы системы управления подвеской автомобиля

1. Цель лабораторной работы

Целью лабораторной работы является закрепление теоретических знаний об устройстве и принципах работы системы управления подвеской автомобиля.

2. Задачи лабораторной работы

К задачам лабораторной работы относятся:

1. Изучение назначения, устройства и принципа работы системы управления подвеской автомобиля.

2. Исследование работы системы управления силой сопротивления в режиме оседания автомобиля.

3. Исследование работы системы управления высотой кузова автомобиля.

3. Краткие теоретические сведения

Подвеска – это со­вокупность узлов, которые размещаются между рамой или кузо­вом автомобиля и мостами. Подвеска содержит рессоры, амор­тизаторы, стабилизаторы и т. п. Они предназначены для умень­шения колебаний кузова из-за неровностей на поверхности дороги, повышения комфортабельности и обеспечения безопасно­сти движения. Вообще говоря, свойства комфортабельности и безопасности взаимосвязаны. Например, мягкие рессоры повы­шают комфортабельность, но из-за увеличения возможного сме­щения центра тяжести автомобиля снижают безопасность дви­жения. С другой стороны, жесткие рессоры повышают безопас­ность, но снижают комфортабельность, передавая даже самые незначительные неровности дороги.

При проектировании подвески учитывают оба этих свойства и в зависимости от характера транспортного средства осущест­вляют их согласование. Более того, используя электронную тех­нику, предусматривают управление параметрами подвески в со­ответствии с условиями движения. Проектирование такой под­вески начинают с разработки системы управления высотой кузова автомобиля относительно поверхности дороги, затем разрабатывают систему управления сопротивлением амортиза­торов и, наконец, систему управления жесткостью подвески. В последней системе используют одновременно узлы регулиро­вания высоты и узлы изменения сопротивления. Поэтому ее на­зывают комплексной системой управления подвеской. В систе­мах повышенной комфортабельности предусматривают управле­ние опорами двигателя по аналогии с управлением подвеской. Масса двигателя составляет существенную долю в общей массе автомобиля. Для того чтобы колебания и вибрации двигателя не передавались на шасси автомобиля используют противовибрационную резину и амортизаторы. При управлении опорами двигателя с помощью электроники регулируют их характерис­тики (сопротивление и т. п.) в соответствии с положением ав­томобиля, обеспечивая тем самым еще больший эффект управ­ления. В основном принципы управления опорой двигателя сов­падают с принципами управления подвеской.

3.1 Управление сопротивлением амортизаторов

При движении автомобиль испытывает толчки от поверхно­сти дороги. Эти толчки гасятся рессорами и из-за отдачи возникают продолжительные колебания, которые демпфируются амортизаторами. Амортизатор состоит из цилиндра со специальной жидкостью, поршня и отверстия. Во время сжатия, вызванного наездом на препятствие и колеба­ниями кузова автомобиля, за счет поглощения энергии жид­костью, проникающей через отверстие, возникает усилие сопро­тивления. Если диаметр отверстия амортизатора достаточно мал, т. е. при большом сопротивлении продолжительность демп­фирования будет невелика, но толчки будут поглощаться слабо, что ухудшит комфортабельность. С другой стороны, при боль­шом диаметре отверстия (малом сопротивлении), колебания будут более продолжительными, но сцепление шин с дорогой ухудшится.

Характерной особенностью амортизаторов является увели­чение сопротивления с ростом скорости движения поршня. Скорость поршня составляет примерно 0,08 м/с при переме­щении по хорошей асфальто­вой дороге и 0,2 – 0,3 м/с – по грубой мостовой, т. е. с ухуд­шением дорожного покрытия скорость поршня увеличивает­ся. При проектировании амор­тизаторов сначала целесооб­разно определить с помощью различных оценок и испыта­ний в разнообразных дорож­ных условиях желаемые зна­чения силы сопротивления. Для плохих дорог следует от­давать предпочтение комфор­табельности, снижая сопро­тивление, а для хороших – безопасности движения.

Ре­шить задачу совмещения двух свойств с использованием обычной подвески, имеющей только один режим работы, довольно трудно. В связи с этим вводится управление си­лой сопротивления — ее многоступенчатое изменение в соответ­ствии с условиями движения. Обладая такой характерис­тикой, даже при небольшой скорости поршня за счет увеличения демпфирующей силы можно предотвратить подъем, «оседание» задней части и крен кузова, возникающие при торможении, уско­рении и на поворотах. Это позволяет уменьшить изменение по­ложения кузова автомобиля и повысить безопасность движения.

Функции и структура системы

В настоящее время известно несколько различных систем управления силой сопротивления. Рассмотрим наиболее типич­ные функции управления и структуру системы.

1) Управление, противодействующее оседанию-—это управ­ление, которое увеличением силы сопротивления амортизаторов сохраняет горизонтальное положение автомобиля при резких ускорениях и уменьшает оседание задней части.

2) Управление, противодействующее оседанию при переклю­чениях ступеней коробки передач, — это управление, которое путем увеличения силы сопротивления гасит толчки, возникаю­щие при переключениях рычага селектора в автомобилях с авто­матической коробкой передач, и уменьшает появляющиеся при этом нагрузки на заднюю или переднюю часть автомобиля.

3) Управление, противодействующее «нырянию» – это управление, которое увеличением силы сопротивления при рез­ком торможении на высокой скорости сохраняет горизонтальное положение кузова автомобиля.

4) Управление, противодействующее крену, — это управле­ние, которое при резких поворотах, увеличивая силу сопротив­ления, уменьшает крен кузова автомобиля.

5) Управление сцеплением – это управление, которое путем увеличения силы сопротивления на высоких скоростях повыша­ет сцепление шин с дорогой и безопасность движения.

Рисунок 1 Система управления силой сопротивления:

D1 - датчик угла открытия дроссельной заслонки; S1 – переключатель режимов работы подвески; D2 – датчик положения рулевого колеса; D3 – датчик торможения (выключатель лампы стоп-сигнала); D4 – датчик скорости; D5 – датчик включения нейтральной ступени; L1, L2, L3 – степень открытия дроссельной заслонки

Система управления с описанными выше возможностями со­стоит, как показано на рисунке 1, из 5 датчиков для определения состояния автомобиля (датчик скорости, датчик положения ру­левого колеса, датчик торможения, датчик положения селек­тора автоматической коробки передач и датчик угла открытия дроссельной заслонки), исполнительных механизмов переключе­ния режимов работы амортизаторов, индикатора режима, по­казывающего уровень силы сопротивления, переключателя ре­жимов для изменения сопротивления и электронного блока уп­равления (ЭБУ).

Приводы и амортизаторы

Привод устанавливается на амортизаторе и приводит в дей­ствие управляющий стержень, который составляет единое целое с клапаном, изменяющим силу сопротивления амортизатора.

Привод состоит из двигателя постоянного тока, зубчатой пере­дачи и соленоида (рис. 2). Изменением токов, проходящих через двигатель и соленоид, осуществляется 3-ступенчатое пере­ключение силы сопротивления. Ток пропускается в течение 150 мс только при переключении. Если ток протекает только через двигатель, то зубчатый сегмент в соответствии с поляр­ностью тока двигается влево или вправо, а если ток проходит и через двигатель, и через соленоид, то зубчатый сегмент зани­мает промежуточное положение.

Рисунок 2 Исполнительный механизм:

Общий вид (справа) и в разрезе(слева); 1 – электродвигатель; 2 – ведущее зубчатое колесо; 3 – зубчатый сегмент; 4 – соленоид; 5 – стопор; 6 – управляющий стержень

В амортизаторе, как показано на рисунок 3, поворотный золот­ник имеет три отверстия, а стержень поршня – два пропуск­ных отверстия. Привод, вращая поворотный золотник, открыва­ет или закрывает отверстие, т. е. уменьшает или увеличивает площадь сечения перепускного канала. В результате обеспечивается переключение на один из трех режимов работы подвески (малая, средняя или большая сила сопротивления). При ма­лой силе отверстия А и С поворотного золотника открыты, при средней – открыто отверстие В, а при большой – закрыты все отверстия. Такая конструкция работает как невозвратный клапан.

Рисунок 3 Конструкция амортизатора

Электронный блок управления

Электронный блок управления силой сопротивления амор­тизаторов выполнен на цифровых схемах. Его структура пред­ставлена на рисунке 4. Все входные сигналы являются цифровы­ми и поступают в микроЭВМ через схемы входной обработки, предназначенные для формирования сигналов. Выходные сигна­лы ЭБУ подаются на исполнительные механизмы управления режимами работы амортизаторов и на индикаторы, показывающие уровень силы сопротивления. Эти сигналы поступают через схемы выходной обработки от микроЭВМ.

В схемах управления исполнительными механизмами преду­сматриваются средства обеспечения работоспособности при появлении ошибок от выбросов напряжения и устройства пред­отвращения перегрузок по току.

Источник питания преобразует напряжение аккумуляторной батареи в напряжение +5 В, необходимое для работы инте­гральных схем (микроЭВМ. и т. п.). Схема установки в началь­ное состояние включает в себя сторожевой таймер, который используется для контроля работоспособности микроЭВМ. Используется 8-разрядная однокристальная n-МОП микроЭВМ.

Выполнение основной программы занимает примерно 4 мс, и за это время она обрабатывает входные сигналы от датчиков и генерирует выходные сигналы для исполнительных механиз­мов, для чего производит различные вычисления. Чем короче время выполнения основной программы, тем выше быстродей­ствие ЭБУ. Однако если это время слишком мало, то микроЭВМ может не успеть произвести все необходимые вычисления. Сиг­нал от датчика скорости обрабатывается по прерыванию. По­вторная установка указателей стеков и портов ввода/вывода введена для того, чтобы обеспечить их правильное функционирование даже при отсутствии инициализации и защитить систе­му в случае различных ошибок в работе.

Рисунок 4 Структура электронного блока управления силой сопротивления

ЭБУ производит регулирование силы сопротивления в зави­симости от различных входных воздействий. Здесь же мы опи­шем его работу главным образом при управлении, противодей­ствующем оседанию.

1) Управление, противодействующее оседанию

Амортизаторы имеют три режима работы (малая, средняя и большая сила сопротивления). При нормальных условиях дви­жения водитель может выбрать режим малой или средней силы сопротивления. Если возникает необходимость перейти в режим большого сопротивления, как, например, при резком трогании с места, то автоматически происходит увеличение силы сопро­тивления, и затем после исчезновения условий, вызвавших это переключение, она принимает прежнее значение. Поскольку управление, устраняющее оседание, противодействует измене­нию положения задней части автомобиля, которое возникает при резком трогании с места, для его реализации необходим датчик, который бы предсказывал это изменение. Такой датчик должен обнаруживать признаки будущего оседания еще до того, как кузов начал смещаться, и выдавать сигнал на схему управления. В качестве предвестников оседания можно рас­сматривать ускорение О и степень открытия дроссельной за­слонки. Поскольку время вычисления О при обработке сигнала с датчика скорости не удовлетворяет требованию окончания обработки до начала смещения кузова, используется сигнал, характеризующий степень открытия дроссельной заслонки. Вре­мя от начала нажатия педали акселератора до начала смеще­ния управляющего стержня амортизатора составляет 150 мс. За это время можно произвести необходимые вычисления и привести в действие исполнительные механизмы. Сигнал, соот­ветствующий степени открытия дроссельной заслонки, поступа­ет от ЭБУ двигателем по трем линиям (что соответствует вы­явлению восьми ступеней открытия).

Закон управления, уменьшающий оседание

Оседание возникает на низкой скорости в результате резкого нажатия педали акселератора, поэтому управление амортиза­торами осуществляется в зависимости от скорости нажатия педали и ее перемещения. В связи с тем что временные соот­ношения, характеризующие появление «оседания», могут быть различными в зависимости от характеристик автомобиля, закон управления устанавливается на основании экспериментальных данных. Рассмотрим следующий пример (соответствие степени открытия дроссельной заслонки θ_n и сигналов L₁,L₂,L₃,посту­пающих в ЭБУ для данного примера, показано на рис.5).

а. Условия переключения на режим большой силы сопротивления:

• скорость автомобиля не достигла 20 км/ч, степень откры­тия дроссельной заслонки за определенное время изменилась от значения, меньшего θ₁ до значения, большего θ₃;

• скорость автомобиля не достигла 20 км/ч, степень откры­тия дроссельной заслонки больше θ₆.

б. Условие уменьшения силы сопротивления до прежнего
значения:

• после переключения на большую силу сопротивления про­
шло более 2 с или скорость автомобиля превысила 30 км/ч.

3. 2. Управление высотой кузова автомобиля

При изменении числа пассажиров и массы груза изменяется расстояние между кузовом и поверхностью дороги (клиренс). Управление высотой кузова позволяет стабилизировать это рас­стояние, что повышает безопасность движения. Поддержание высоты постоянной дает возможность также уменьшить измене­ние положения оптической оси светового пучка фар. Более того, сохраняется неизменным ход рессор и предотвращается касание элементов кузова о грунт при движении по плохой дороге.

Уменьшая на высокой скорости высоту, можно повысить без­опасность движения и уменьшить сопротивление воздуха. Управление высотой производится обычно с помощью пнев­матических упругих элементов

Структура системы

Управление высотой может осуществляться на всех четырех колесах или только на двух задних. Сигнал от датчика высоты поступает в ЭБУ. При отличии текущей высоты от но­минальной ЭБУ, управляя компрессором или выпускным клапа­ном, регулирует давление в упругих элементах и поддерживает высоту постоянной. Компрессор работает от малогабаритного двигателя, источником напряжения для которого служит акку­муляторная батарея. При необходимости увеличения высоты компрессор по сигналу от ЭБУ посылает сжатый воздух в фильтр-водоотделитель. Фильтр представляет небольшую ка­меру, наполненную силикагелем, и предназначен для удаления влаги из проходящего воздуха. Кроме того, в камере имеется клапан для выпуска воздуха из системы при уменьшении высо­ты. Это позволяет одновременно с выпуском воздуха удалить и влагу, поглощенную силикагелем. Упругие элементы состав­ляют с амортизаторами единую конструкцию, в которой изме­нение давления воздуха в упругих элементах приводит к изме­нению высоты амортизаторов.

В системе применены гидравличе­ские амортизаторы и упругие элементы.

Электронный блок управления

Датчик высоты в соответствии с взаимным положением ры­чага амортизатора и шасси вырабатывает сигнал. Поскольку рычаг постоянно перемещается вверх и вниз по отношению к шасси, гася во время движения толчки от дороги, выходной сигнал датчика, пропорциональный высоте, постоянно изменяет­ся. В связи с этим сигнал датчика вводится в ЭБУ через каж­дые несколько миллисекунд. ЭБУ в течение определенного вре­мени подсчитывает число тех или иных состояний высоты и по частоте состояний (их процентному соотношению) делает вывод о текущем значении высоты. В зависимости от положения две­рей (закрыты или открыты) ЭБУ определяет, происходит по­садка или движение. В первом случае высота определяется в течение короткого интервала времени (2,5 с), во втором— для исключения влияния колебаний более длительное время (20 с). Например, если во время движения сигнал высоты в те­чение 20 с находится в области «очень высокое положение ку­зова» в 80% случаев и более, то приводится в действие выпуск­ной клапан и амортизатор снижается. Если же в течение 20 с сигнал высоты оказывается в области «очень низко» или «низ­кое положение кузова» более чем в 10% случаев, то снижение амортизатора прекращается. Подъем амортизатора и управле­ние высотой при посадке осуществляется аналогичным образом. Управление амортизатором показано на рисунке 5, а на рисунке 6 представлена структура ЭБУ, выполняющего вышеописанные действия. Использована 4-разрядная однокристальная мик-роЭВМ.

Во время остановки двигателя управление высотой отклю­чается, поскольку прекращается заряд аккумуляторной бата­реи. Обнаружение останова двигателя осуществляется ЭБУ по сигналу с контакта L регулятора напряжения (контакт включения лампы индикации разрядки аккумуляторной бата­реи).

Рисунок 5 Регулирование высоты кузова: опускание (слева) и подъем (справа)

Рисунок 6 Структура ЭБУ высотой

3. 3. Комплексное управление подвеской

1Выше были описаны системы управления силой сопротивле­ния амортизаторов и высотой автомобиля. Кроме этого, нахо­дят применение системы управления жесткостью подвески, в качестве которой обычно используют пневматическую или гидропневматическую подвеску. Чем меньше жесткость подвес­ки, тем меньше колебания кузова и выше комфортабельность. Жесткость пневматической подвески можно сделать достаточно малой, однако это повлечет за собой появление крена и про­дольных колебаний. По этой причине управление жесткостью подвески в большинстве случаев комбинируют с управлением высотой кузова и силой сопротивления амортизаторов.

1. Передний датчик высоты

2. Переключатель режимов «автоматический/ручной»

3. Датчик высоты

4. Датчик положения рулевого колеса

5. Датчик ускорения О

6. Датчик степени открытия дроссельной заслонки

7. Сигналы для внешних средств диагностики

8. Индикаторная лампа режима

Структура системы

Принцип и функции управления в основном такие же, как при управлении силой сопротивления.

Сигналы от датчиков скорости автомобиля, угла поворота рулевого колеса, ускорения, угла открытия дроссельной заслон­ки поступают в ЭБУ, который одновременно регулирует жест­кость подвески и силу сопротивления. Управление жесткостью осуществляется изменением эффективного объема за счет от­крывания или закрывания клапана, установленного между вспомогательной и основной камерами пневматической подвески; управление силой сопротивления производится изменением площади сечения от­верстия.

Одновременность переключения достигается тем, что управ­ляющий стержень, проходящий через амортизатор, поворачи­вается исполнительным механизмом, управляемым электромаг­нитным клапаном

4. Задание для подготовки к работе и общие замечания о ее проведении

Ознакомьтесь с целями, задачами и содержанием лабораторной работы. Изучите теоретические сведения о назначении и принципе работы системы управления подвеской автомобиля.

В лабораторной работе рассматривается процесс функционирования управления подвеской автомобиля в различных режимах:

1. Управление, противодействующее оседанию автомобиля при резком ускорении в начале его движения.

2. Управление высотой кузова автомобиля.

Предполагается, что амортизаторы могут находится в трех режимах работы:

1. Режим малой силы сопротивления (здесь режим №1).

2. Режим средней силы сопротивления (здесь режим №2).

3. Режим большой силы сопротивления (здесь режим №3).

Предполагается, что до начала движения автомобиля и при движении с постоянной скоростью амортизаторы находятся в режиме малой силы сопротивления. Оседание возникает на малой скорости (в данном случае V < 20 км/ч) в результате резкого нажатия педали акселератора. В качестве датчика, указывающего на начало оседания автомобиля (начала движения со средним или большим ускорением) используется датчик положения дроссельной заслонки (ДЗ). Считаем, что положение дроссельной заслонки можно разделить на три диапазона:

1. Диапазон №1, при котором ускорение автомобиля мало и амортизаторы должны находится в режиме №1. Датчик положения дроссельной заслонки выдает сигнал L = 1.

2. Диапазон №2, при котором ускорение автомобиля имеет среднюю величину и амортизаторы должны находится в режиме №2. Датчик положения дроссельной заслонки выдает сигнал L = 2.

3. Диапазон №2, при котором ускорение автомобиля имеет большую величину и амортизаторы должны находится в режиме №3. Датчик положения дроссельной заслонки выдает сигнал L = 3.

Считается, что переход амортизаторов в исходный режим (режим №1) из режимов средней и большой силы сопротивления (режимы №2 и 3) происходит при V > 20 км/ч или если амортизаторы находятся в режимах №2 и 3 более 2 секунд.

Модель системы управления силой сопротивления амортизаторов состоит из:

· электронного блока управления (ЭБУ);

· датчика скорости автомобиля (ДС);

· датчика положения дроссельной заслонки (ДЗ);

· таймера (датчика, измеряющего время нахождения амортизаторов в режимах средней и большой силы сопротивления;

· амортизаторов;

· индикатора режима амортизаторов.

При управлении высотой кузова автомобиля предполагается, что кузов может находиться в четырех возможных диапазонах высот:

· очень низкое положение кузова (№1);

· низкое положение кузова (№2);

· высокое положение кузова (№3);

· очень высокое положение кузова (№4).

Управление высотой кузова автомобиля предполагается при посадке (высадке) пассажиров и при движении автомобиля. При посадке (высадке) высота определяется в течение 2,5 с, при движении – в течение 20 с. Режим посадки (высадки) определяется по открытому состоянию дверей автомобиля.

В работе предполагается, что автомобиль движется. Амортизаторы должны находиться в положении «высокое положение кузова (№3)». Система содержит датчики высоты (ДВ):

· №1 - очень низкое положение кузова;

· №2 - низкое положение кузова;

· №3 - высокое положение кузова;

· №4 - очень высокое положение кузова.

При движении кузов будет находиться либо в положении №3, либо - №4. Соответственно, сигналы будут поступать с датчиков высоты ДВ3 и ДВ4. Сигналы с этих датчиков поступают на счетчики импульсов. Их число сравнивается: если число импульсов с ДВ4 > 0,8 от общего числа импульсов с ДВ3 и ДВ4, то это значит, что амортизаторы находятся в положении №4, и ЭБУ дает команду о переводе амортизаторов в положение №3. Если число импульсов с ДВ4 < 0,8, то это значит, что амортизаторы находятся в положении №3, и ЭБУ команду о переводе амортизаторов в новое положение не выдает.

Модель системы управления высотой кузова автомобиля состоит из:

· электронного блока управления;

· датчика положения дверей (ДПД: открыты – 1, закрыты – 0);

· датчиков высоты ДВ3 и ДВ4;

· счетчиков импульсов №3 и №4;

· амортизаторов.