Этапы развития автомобильного электрооборудования

Прошло время. Неизвестно сколько. Но, вероятно, немного… По улице шел Деточкин без охраны.

Он направился к телефонной будке, зашел в нее и набрал свой домашний номер.

– Мама, это я! – нежно сказал Деточкин.

– Ты откуда звонишь, из тюрьмы? – удивилась мама.

– Нет, из автомата. Меня выпустили…

– Наверно, ты им надоел! – сказала мама, скрывая радость.

Потом Деточкин позвонил Подберезовикову.

– Привет! – сказал Деточкин.

– Привет! – отозвался Максим, узнав друга по голосу.

– Как дела? – спросил Деточкин.

– Нормально! – откликнулся Максим.

– До встречи! – сказал Деточкин.

– До скорой! – поправил его Максим.

Несколько минут спустя сутулая фигура уже маячила на троллейбусной остановке. Когда подошел родимый троллейбус Юрий Иванович засуетился. Он обошел машину кругом и, сдернув с головы кепку, заглянул в окошко водителя:

– Люба! – позвал наголо обритый Деточкин. – Здравствуй, Люба! Я вернулся!

P.S. Своего сына Деточкины назвали Максимом.

 

 

Лекция 1. Введение

Содержание курса и его цель.

Этапы развития автомобильного электрооборудования.

Общие сведения об автомобильной электронике.

 

Содержание курса и его цель

Данный курс разработан в соответствии с учебным планом, обязательный, изучается в 10 семестре студентами специализации " Автоде­ло и техническое обслуживание".

В процессе изучения курса предусмотрена самостоятельная работа студентов, индивидуальные задания, выполнение которых контролируется преподавателем (контрольная работа). Итоговой формой контроля знаний материала по курсу " Электрооборудование автомобилей" является зачет.

Целью изучения курса является подготовка учителя технологии по специализации «автодело и техническое обслуживание» в области электрооборудования автомобилей. Задачами обучения являются приобретение студентами знаний устройства, принципа действия, работы и основных технических характеристик исправных изделий (приборов) электрооборудо­вания базовых моделей легковых, грузовых автомобилей, а также изучение влия­ния электрических и механических неисправностей на дальнейшую работу отдельных приборов и систем электрооборудования и автомобилей в целом. Програм­мой предмета предусмотрено также изучение устройства, прин­ципа действия, правил пользования некоторыми переносными и стационар­ными приборами и стендами для проверки и регулировки изделий электрооборудования. Необходимо научиться уметь без посторонней помощи анализировать работу более сложных схем приборов новых автомобилей, в которых возникли, неисправности.

Чтобы изучение материала не вызывало значительных затруднений у студентов, следует настроиться на регулярные и последовательные занятия в течение всего учебного года, а не на беглый просмотр учебников во время сессии.

Следует заметить, что наиболее успешно и с меньшими затратами времени материал всего предмета изучают те студенты которые имеет достаточный опыт работы водителями, хорошо изучили техническое обслуживание и ремонт автомобилей, усвоившие такие предметы как физика, эксплуатационные материалы и современные технологии, устройство автомобилей и, особенно, электротехника с основами электроники.

После изучения программного материала, выполнения заданий для самостоятельной работы и лабораторно-практических работ студенты должны:

- знать устройство и работу схем исправных приборов, общие сведения об электрооборудовании автомобилей, работу схем приборов с различными неисправностями; приемы определения и выявления неисправностей и приемы испытания приборов электрооборудования наиболее распространенных автомобилей отечественного производства;

- уметь пользоваться электроизмерительной аппаратурой и технологическим оборудованием для проверки и регулировки приборов электрооборудования; самостоятельно изучать новые конструкции приборов и аппаратов электрооборудования и электроники автомобилей.

Этапы развития автомобильного электрооборудования

Развитие и совершенствование автомобилестроения неразрывно свя­зано с широким применением электротехнического оборудования, автоматических устройств и систем, объединенных в единый комплекс-электрооборудование автомобилей.

Электрооборудование современного автомобиля – сложная система, обеспечивающая автоматизацию рабочих процессов, безопасность движения и улучшение условий труда водителей. От надежности электрооборудования в большей степени зависит эффективность эксплуатации ав­томобилей.

Развитие электрооборудования автомобилей тесным образом связано с развитием общей электроники, электротехники и автоматики.

Впервые электрическая энергия применена в двигателях внутреннего сгорания в 1860 г. для воспламенения горючей смеси. Высокое на­пряжение для образования электрической искры между электродами свечи зажигания создавали при помощи простейшей индукционной катушки, ко­торая получала питание от гальванических элементов. Однако из-за несовершенства последних эта система в те годы не нашла широкого практического применения.

На первом автомобиле было установлено низковольтное магнето с одним подвижным электродом. В 1901-1907 гг. разработали магнето высокого напряжения, которое представляло собой систему зажигания с магнитоэлектрическим генератором и высоковольтной индукционной катушкой.

Зажигание электрической искрой высокого напряжения вытеснило другие способы воспламенения горючей смеси и стало предпочтительным для двигателей с принудительным воспламенением.

Таким образом, практически с момента изобретения двигателя внутреннего сгорания горючая смесь в нем воспламенения при по­мощи электрической искры. В дальнейшем появилось множество различных методов генерирования высокого напряжения, необходимого для пробоя искрового промежутка свечи зажигания, два из которых получили наибольшее распространение: батарейное зажигание (на автомобилях) и зажигание от магнето (на гоночных автомобилях).

Автомобильный парк в 300 млн. машин выбрасывает в атмосферу 160 млн. т. окиси углерода, 46 млн. т. углеводорода, 8 млн. т. окислов азота и тысячи тонн соедине­ний свинца. В связи с проблемами энергетического характера и по охране окружающей среды остро встал вопрос о повышении экономичности, уменьшении токсичности от­работав­ших газов автомобилей. Значительный вклад в решение этой проблемы вносят электронные системы зажигания. В настоящее время выпускаются контактно-транзи­сторные и бесконтактные системы зажигания.

В период с 1920 по 1933 г. для создания прочной базы по производству автомобильного электро­оборудования были привлечены крупнейшие специалисты из смежных областей техники, которые положили начало созданию оте­чественной школы подготовки специалистов по разработке и созданию конструкций собственных приборов электро­оборудования. В это время исследованиями процессов, протекающих в приборах, а также разработкой конструкций приборов занимались такие видные специалисты, как Берг, Бонч-Бруевич, Шефнер, Шулейкин, Кулебакин, Петров, Волков, Галкин, Лихачев и др.

Серийный выпуск отечественных приборов электрооборудования был начат в 1932 г. для автомобилей Московского и Горьковского автозаводов. Следует отметить, что в сравнении с современными приборы электрооборудования тех лет имели недостаточную мощность, надежность и срок службы. Например, мощность шестивольтового трехщеточного генератора постоянного тока того времени составляла всего 60 Вт, а в фарах устанавливались однонитевые лампы силой света 15 свечей. По мере совершенствования конструкций автомобилей совершенствовались и приборы электрооборудования. Повышение скорости и безопасности движения, требования комфорта на легковых автомобилях и автобусах в дальнейшем привели к установке дополнительных приборов электрооборудования. К ним можно отнести приборы звуковой и световой сигнализации (указатели поворота, спаренные звуковые сигналы, стоп-сигналы, задние и передние габаритные огни), контрольно-измерительные приборы, приборы для создания комфортабельности (обогреватели кабин, вентиляторы, стеклоочистители, электрические подъемники стекол дверей, устройства для управления коробкой передач, радиоприемники, телевизоры и т.д).

Применение электрической энергии для освещения, пуска двигателя и питания различных аппаратов и приборов привело к образованию систем электропитания пуска и освещения.

Система электропитания, обеспечивающая питание приемников электрической энергией, состоит из электрического генератора, регулятора напряжения, аккумуляторной батареи и элементов защиты. Причем аккумуляторная батарея из основного источника перешла во вспомогательный, необходимый для питания потребителей во время остановки двигателя. Основным источником электрической энергии на автомобиле является генератор постоянного или переменного тока.

Развитие генераторных установок идет по пути возрастания их мощности в связи с ростом числа и мощности потребителей электрической энергии, увеличения срока службы и повышения удельных показателей использования активных материалов.

Более 50 лет на автомобилях в основном применялись генераторы постоянного тока. Развитие полупроводниковой техники и успехи, достигнутые в этой области, позволили использовать на автобусах и автомобилях генераторы переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями. На современных автомобилях (особенно специальных) число устанавливаемых приборов электрооборудования достигает 80-100 единиц и наблюдается тенденция к дальнейшему увеличению их числа и мощности. Увеличение суммарной мощности, установленных на автомобилях потребителей потребовало увеличения мощности генераторов. К примеру: на автомобилях ГАЗ-14 " Чайка" и ГАЗ-3102 (новая модель " Волги") установлены генераторы переменного тока Г284 мощностью 1160 Вт, на автобусах ЛАЗ и ЛиАЗ генераторы Г286 и Г289 мощностью 1200 Вт, а на автомобилях семейства БелАЗ установлены генераторы Г263-А мощностью 4200Вт. Установка генераторов переменного тока со встроенными полупроводниковыми выпрямителями, регулирование напряжения полупроводниковыми регуляторами напряжения на автомобилях являются перспективными.

В настоящее время разработана и внедрена в серийное производство широкая номенклатура полупроводниковых приборов для электрооборудования автомобилей. Использование полупроводниковой техники приводит к уменьшению габаритных размеров и массы, повышению их надежности, а в некоторых случаях и к снижению стоимости элементов электрооборудования. За счет применения более надежных изоляционных материалов и полупроводниковых, приборов в схемах генераторов пере­менного тока, реле-регуляторов, электронных (транзисторных) систем зажигания, контрольно-измерительных приборов, указателей поворотов, спидометров, тахометров и т.д. добились резкого увеличения их срока службы. Широкое внедрение интегральных схем, выполненных за счет диффузии и селективной изоляции на кремнии, позволяет конструировать малогабаритные, стойкие к вибрациям, надежные и долговечные приборы электрооборудования. В недалеком будущем наряду с приборами, выполненными на интегральных схемах, найдут широкое применение алюминированные щитки контрольных приборов из термопластмассы с гибкой печатной схемой, на которой шкалы измерительных приборов будут иметь матовое покрытие, а свет от подсвечивающей лампы будет проходить только через деления и цифры, не отражаясь в ветровом стекле. Перспективной является подсветка шкал контрольно-измерительных приборов от одной лампы с помощью проводящих свет пластмассовых волокон, в которых луч света, многократно отражаясь от стенок, может передаваться на несколько метров.

В связи с развитием полупроводниковой техники в последние годы проводятся исследования по разработке схем бесколлекторных двигателей постоянного тока. В этих двигателях функции коллектора и щеток будут выполнять транзисторные коммутаторы

В 1925 г. на автомобилях начали устанавливать электрическую систему пуска, которая состоит из аккумуляторной батареи, электростартера и коммутационной аппаратуры. Аккумуляторная батарея стала необходимым элементом автомобильного электрооборудования.

Применение дизелей для автомобилей потребовало значительного возрастания мощности системы пуска. В связи с этим развернулись работы по дальнейшему увеличению емкости, повышения срока службы и улучшению характеристик аккумуляторных батарей. В настоящее время мощность стартеров большегрузных автомобилей равна 10-15 кВт, а емкость аккумуляторных батарей – 200-240 Ач.

Система освещения автомобилей обеспечивает безопасность движения и определенный комфорт. Увеличение автопарка, а в связи с этим и рост дорожно-транспортных происшествий потребовали разработки новых систем освещения. Разработаны и внедрены четырех фарные и автоматически регулируемые системы освещения, противотуманные фары, галогенные лампы, лампы с красными линзами и т.д. В схемах освещения перспективно использование полупроводниковых светоизлучающих элементов, жидких кристаллов, светодиодов.

Для контроля состояния и работоспособности агрегатов и сис­тем автомобилей широко применяются контрольно-измерительные приборы, которые позволяют облегчить работу водителя, контролировать состояние и работоспособность агрегатов и систем, стоимость ко­торых во много раз превышает стоимость самих приборов.

По способу отображения информации контрольно-измерительные приборы можно подразделить на две группы: указывающие и сигнализирующие. Современное развитие контрольно-измерительных приборов характеризуется тенденцией к увеличению количества сигнализирующих приборов.

Качественно новым направлением является усовершенствование техники, направленное на снижение вредного воздействия на окру­жающую среду, повышение безопасности движения, обеспечение опти­мизации как процессов преобразования энергии в двигателях, так и режимов движения. Так, например, ведутся работы по созданию диаг­ностической бортовой аппаратуры, которая должна непрерывно оце­нивать состояние водителя и автоматически принимать меры, обес­печивающие безопасность движения. Разрабатываются противоблокировочные тормозные системы для грузовых автомобилей, электронные системы устройства дозирования топлива и др.

Внедрение более совершенных технологических процессов производства, применение материалов с лучшими механическими и изоляционными свойствами и использование полупроводни­ковых приборов позволило довести срок службы большинства изделий электрооборудования до капитального ремонта всего автомобиля.

Решение перечисленных вопросов связано с проникновением средств электроники и автоматики в процессы производства, технического обслуживания, ремонта и управления автомобилями. На современных большегрузных автомобилях внедрена электрическая транс­миссия, ведутся работы по создания электромобилей. Автомобиль недалекого будущего представляется системой, способной к автоматической адаптации относительно окружающей среды и условий эксплуатации.

Электрооборудование современного автомобиля непрестанно ус­ложняется. Так, например, на автомобиле " Москвич - 400" было установлено 29 приборов электрооборудования, а на автомобиле КамАЗ – 5820 - 100. Общая длина проводки на современном автомобиле составляет 300-350 м. Электрооборудование имеет около ста разъемных элек­трических соединений. Стоимость электрооборудования автомобилей в настоящее время составляет 25% стоимости машины.

Характерной особенностью электрооборудования является массовость производства и сравнительно высокий ресурс. Поставлена задача довести ресурс основных элементов электрооборудования до 400 тыс. км. пробега машины (10 тыс. ч. работы машины).

Электрооборудование современного автомобиля - это сложный комплекс, требующий квалифицированного технического обслуживания. Поэтому подготовка высококвалифицированных специалистов в этой области является необходимой для повышения качества и эффективнос­ти эксплуатации автомобилей.

Таким образом, полную (общую), схему электрооборудования автомобилей составляет комплекс электрических машин и приборов, проводов и коммутационной аппаратуры, обеспечивающий безопасность движения и длительный срок службы не только отдельных узлов и агрегатов, но и всего автомобиля.

В общих чертах, без учета функциональных связей, все установленные на автомобилях электрические машины и прибо­ры можно разбить на две основные группы: группу источников электрической энергии и группу потребителей электроэнергии.

Общие сведения об автомобильной электронике

В последние годы быстрыми темпами развиваются электронные системы (ЭС), устанавливаемые на автомобиле. Применение ЭС при­вело к возникновению новой области техники — автомобильной электроники. В иностранной литературе в качестве синонима автомобильной электроники используются также термины " мехатроника" (объединение слов ''механика'' и ''электроника''). Понятие автомобильная электроника широко распространено в современной технической литературе, но его общепринятое определение отсутствует. По нашему мнению, под автомобильной электроникой следует понимать комплексное научно-техническое направление, связанное с проектированием, производством и эксплуатацией автомобильных ЭС.

Внимание, уделяемое автомобильной электронике, посто­янно растет. За 10 лет, с 1974г. по 1983 г., общая стоимость всех ЭС возросла в США в 11 раз, а в Японки в 56, 9 раза. При этом сред­няя стоимость ЭС одного автомобиля в США увеличилась за это время в 17 раз, и в 33 раза в Японии.

Высокие темпы развития автомобильной электроники сохраняется и в будущем. Стоимость ЭС американского автомобиля среднего класса в 1995 г. составляет 17% от его полной цены. Если в 1982г. мировой объем продаж автомобильных ЭС (без стоимости развлекательной аппаратуры) превысил 3 млрд. долл., то в 1985г. он увеличился до 8, 4 млрл. долл., а в 1990г. объем сбыта составил14, 4 млрд. долларов. Для сравнения укажем, что в 1987г. объем сбыта всех изделий промышленной электроники (предназначенной для управления производственными процессами, автоматизации производства и испытаний и т. п.) составил 10 млрд. долл. Ожидается, что стоимость ЭС одного американского автомобиля в новом тысячелетии достигнет 2тыс. долл.

В последние годы в автомобильной электронике произошли два крупных события.

Первое - введение ограничений на состав отработавших газов для предупреждения загрязнения атмосферы, а также на расход горючего, что вызвано нефтяным кризисом. Попытки удовлетворить этим требованиям применением механических систем управления неизбежно привели бы к ухудшению параметров автомобиля. Темные тучи на небоск­лоне прогресса автомобилестроения были развеяны достижениями новой техники и, прежде всего электроники. Эти обстоятельства тесно связали автомобиль и электронику.

Другое событие - изобретение микро ЭВМ. Возможность установки ЭВМ в автомобиль принесла революционные изменения в системы управления агрегатами автомобиля. При этом не только существенно усложнились функции управления, в первую очередь управления двигателем, но и появились одна за другой несколько новых систем. С этого момента начался, образно говоря, медовый месяц автомобиля и электроники.

Большие возможности вычислительной техники и умение их использовать широкими кругами населения привели к тому, что во многих странах автомобиль без ЭС стал неконкурентоспособным. Потребителю он кажется архаичным, несоответствующим современному развитию техники. Поэтому требование использования ЭС можно рассматривать не как переходящую моду, а как следствие научно-технического прог­ресса.

Внешний вид автомобиля одного класса становится все больше сходным в связи со стремлением уменьшить сопротивление воздуха, тогда как ЭС весьма разнообразны. Это позволяет, устанавливая на различные модели неодинаковые ЭС, делать автомобили неоригинальными. В особой мере такими достоинствами должны обладать ЭС, с которыми контактируют водители, пассажиры (ЭС на панели приборов, ЭС повышения комфортабельности автомобиля).

Развитию ЭС способствовало и появление во многих странах нормативных документов, в которых регламентированы предельно допустимые технико-экономические показатели автомобилей. Некоторые из этих нормативов не могут быть соблюдены без применения ЭС. Например, во многих странах ограничивается токсичность отрабатываемых газов (ОГ) и максимальный расход топлива. Нарушение норм максимальной токсичности ОГ, как не допускается, а топливной экономичности — влечет значительный штраф. Так, годовой штраф фирмы " Дженерал моторс" за превышение топливной экономичности может достигать 0, 5 млрд. долл. Покупатели авто­мобилей с повышенным расходом топлива в США платят дополнительный

налог от 500 до 3850 долл.

Введение подобных нормативных документов способствовало ускоренному развитию автомобильной электроники. Датой рождения автомобильной электроники принято считать 1973г., когда в США был при­нят закон об обязательном применении ремней безопасности. Для внедрения этого закона было выпущено несколько миллионов ЭС, блокирующих пуск двигателя при неправильном применении ремней безопасности. Таковы субъективные причины развития автомобильных ЭС. Думается, что их отсутствие не затормозило бы широкого распространения ЭС. Это объясняется тем, что применение ЭС позволяет добиться значительного улучшения эксплуатационных свойств автомобиля (снижена токсичность ОГ и шумность, повышена топливная экономичность, безопасность движения, комфортабельность, проходимость, простота технического обслуживания, улучшены тягово-скоростных и тормозных свойства, легкость управления автомобилем, маневренность, видимость из автомобиля, защищенность от неправильных и недопустимых действий водителя, злоумышленников и т.д.)

Улучшение эксплуатационных свойств автомобиля достигается реализацией ЭС следующих функций: управление работой узлов, агрегатов автомобиля, отображение информации водителю, пассажирам, пешеходам, водителям других автомобилей, хранение информации, приема информации из автомобиля.

Наибольшее распространение получили функции управления и отображения информации. ЭС управляют работой двигателя, трансмиссии, ходовой части, рулевого управления, тормозной системы, кузова, систем электропитания и коммуникаций. Все более популярными становятся ЭС отображения информации. Визуальные индикаторы показывают циф­ровые значения множества разнообразных параметров: от традиционных (например, скорости движения и частоты вращения коленчатого вала) до не применявшихся ранее (например, на автомобилях фирмы ''Форд'' индицируется момент воспламенения смеси в каждом цилиндре). Величина параметров кодируется яркостью, длиной и шириной линий и т.п. После сообщения о наступлении событий (например, неисправном техническом состоянии) ЭС ''рекомендует'' водителю целесообразные действия. Широко используются текстовые сообщения, отображения схематического характера (например, автомобиль в плане с указанием неисправного узла). Учитывая загруженность зрительных анализаторов водителя, на многих автомобилях применяют акустические индикаторы, подающие в случае необходимости звуковой сигнал. Получили распространение синтезаторы речи, вырабатывающие речевые сообщения, например, об открытой двери, превышение допустимой температуры охлаждающей жидкости. Пользуются популярностью у пассажиров развлекательные ЭС, дающие возможность играть в различные игры, и, конечно, радиоприемники, телевизоры, магнитофоны.

ЭС хранят необходимую информацию в полупроводниковых запоминающих устройствах, на магнитных лентах и дисках. Водитель и пассажиры имеют возможность записать на машинные носители информацию, как в записную книжку, сведения о будущем маршруте движения, расположение автозаправочных станций, список необходимых дел. Эти сведения выводятся на экран дисплея по команде водителя или при наступлении заданных водителем событий. Для выявления при­чин дорожно-транспортных происшествий в ЭС храниться информация предшествующих аварии режиме движения, действиях водителя, техническом состоянии автомобиля. ЭС предает информацию из автомобиля в АСУ дорожным движением для организации оптимального управления светофорами, дорожными знаками (оперативно изменяется допустимая скорость движения, запрещается или разрешается проезд по некоторым улицам). С помощью передающих устройств из автомобиля по желанию водителя и пассажиров можно вызвать скорую помощь, пожарных, полицейских, вести телефонные переговоры.

Различные устройства и системы, призваны сделать вождение автомобиля более приятным и безопасным. В дальнейшем с развитием электроники можно ожидать реализации многих новых функций. Примером одной из них может служить обеспечение связи с внешними по отношению к автомобилю системами с помощью новой техники связи, возможность точного определения местонахождения автомобиля, являющегося движущимся объектом. Появляются глобальные системы определения местонахождения автомобиля с использованием искусственных спутников Земли.