Разработка датчика момента электромеханического усилителя руля автомобиля Лада Веста
|
Введение
Раздел 1. Аналитический обзор
1.1 Особенности электромеханических усилителей рулевого управления
1.2 Анализ датчиков момента
Раздел 2. Конструкторская часть
2.1 Разработка функциональной схемы датчика момента
2.2 Выбор элементной базы
2.3 Разработка электрической принципиальной схемы датчика момента..
2.4 Расчет формирователя сигнала с датчика момента
2.5 Формирователи сигналов с датчиков скорости и оборотов двигателя .
2.6 Формирователь сигнала с датчика положения
2.7 Датчик тока якоря электродвигателя со схемой контроля перегрузки.
2.8 Расчет усилителя постоянного тока
2.9 Выбор конструкции и расчет катушек
Раздел 3. Технологическая часть
3.1 Разработка печатных плат
3.2 Технология производства печатных плат
3.2.1 Сеточно-химический способ изготовления печатных плат
3.2.2 Комбинированный метод изготовления печатных плат
Раздел 4. БЖД
4.1 Мероприятия по созданию здоровых и безопасных условий труда ..
4.1.1 Организационные мероприятия
4.1.2 Коллективные средства защиты
4.1.3 Индивидуальные средства защиты
4.2 Обеспечение пожаробезопасных условий труда
Заключение
Список литературы
Раздел 1. Аналитический обзор
1.1 Особенности электромеханических усилителей рулевого управления
1.2 Анализ датчиков момента
Раздел 2. Конструкторская часть
2.1 Разработка функциональной схемы датчика момента
2.2 Выбор элементной базы
2.3 Разработка электрической принципиальной схемы датчика момента..
2.4 Расчет формирователя сигнала с датчика момента
2.5 Формирователи сигналов с датчиков скорости и оборотов двигателя .
2.6 Формирователь сигнала с датчика положения
2.7 Датчик тока якоря электродвигателя со схемой контроля перегрузки.
2.8 Расчет усилителя постоянного тока
2.9 Выбор конструкции и расчет катушек
Раздел 3. Технологическая часть
3.1 Разработка печатных плат
3.2 Технология производства печатных плат
3.2.1 Сеточно-химический способ изготовления печатных плат
3.2.2 Комбинированный метод изготовления печатных плат
Раздел 4. БЖД
4.1 Мероприятия по созданию здоровых и безопасных условий труда ..
4.1.1 Организационные мероприятия
4.1.2 Коллективные средства защиты
4.1.3 Индивидуальные средства защиты
4.2 Обеспечение пожаробезопасных условий труда
Заключение
Список литературы
В автомобилестроение просматривается тенденция качественного улучшения комфортности, безопасности и легкости управления транспортным средством. В частности в последнее десятилетие усилители руля все меньше воспринимаются автолюбителями как признак роскоши и все больше, как обязательное средство облегчения управлением автомобиля водителем и повышения активной безопасности на дорогах.
Одним из основных и неоспоримых преимуществ рулевого усилителя является облегчение работы рук при выполнении парковочных маневрах, когда водителю приходится совершать большое количество оборотов рулевого колеса при максимальном усилии, а также в случаях, когда автомобиль преодолевает затяжной поворот.
Помимо этого рулевой усилитель обладает еще одним, весьма полезным свойством. При прохождении автомобилем участков дорог с множеством неровностей, на руль передаются удары, которые вызываются этими неровностями, что, делает поезду менее комфортной и приводит к повышению усталости водителя. Рулевой усилитель в этих случаях является неким демпфером, устройством, гасящим такие удары.
Но, однако, у рулевых усилителей есть и недостатки. Так, одним из основных минусов этих устройств является отсутствие либо нехватка реактивного усилия на руле. Причиной этого чаще всего оказывается гидроусилитель, он слишком активно участвует в помощи водителю, нейтрализуя любое возвращающее усилие, которое возникает при повороте рулевого колеса. Но именно это возвращающее усилие, небольшое по величине, и обеспечивает так называемое "чувство автомобиля".
Поэтому задача конструкторов при разработке и настройке ходовой части при наличии гидроусилителя оказывается достаточно сложной.
Это происходит из-за того, что существует необходимость увязать воедино массу факторов для того, чтобы добиться хорошей информативности рулевого привода и одновременно не сделать рулевой вал слишком тугим. К таковым фактором, безусловно, относятся: производительность насоса, параметры золотника и жесткость торсиона, геометрию передней подвески и углы установки колес (от этого в первую очередь зависит величина возвращающего усилия), параметры задней подвески, уводные характеристики шин, а также жесткость кузова на скручивание.
Еще одна задача, стоящая перед конструкторами-разработчиками, — сделать так, чтобы на маленькой скорости руль был легко вращаем, то есть без приложения чрезмерных усилий на рулевое колесо, а на большой скорости - становился более упругим и информативным.
Тем не менее, несколько лет назад, наконец, появились серийные гидроусилители с электронной регулировкой работы распределителя в зависимости от скорости. Помимо чисто механических вариантов решения данной проблемы существует смешанный вариант, когда привод насоса осуществляется не от коленчатого вала двигателя, как это чаще всего и реализуется, а от электромотора. В этом случае посредством электронного блока управления можно менять частоту вращения электропривода, а значит, и варьировать производительность насоса в возможных любых пределах. Такая схема применяется в гидроусилителях автомобилей Mercedes-Benz А-класса.
Здесь мы подходим к еще одному недостатку гидроусилителей. Дело в том, что на привод гидронасоса уходит несколько лошадиных сил. Возникает естественная в данной ситуации идея вообще отключать насос на прямых участках дороги в целях экономии топлива, но на практике эта идея неосуществима. Гидроусилитель достаточно инертен, поэтому если резко отклонить руль, то давление не успеет возрасти быстро, и таким образом, усилитель просто не поможет водителю в управлении.
Решением данной проблемы являются электромеханические усилители, в которых какие-либо гидравлические узлы отсутствуют. На торсионе следящего устройства стоит датчик, и в зависимости от его сигнала электроника подает ток нужной полярности и силы на обмотки электромотора, связанного с рулевым механизмом через червячную передачу. А по сигналам от датчика скорости можно изменять характеристику усилителя в соответствии с любой заложенной в память блока зависимостью.
Для реализации требований, предъявляемых к рулевому управлению, усилитель должен обеспечивать оптимальные нагрузочные и скоростные характеристики системы управления автомобилем. К рулевым усилителям (всех типов) предъявляются следующие требования:
1. Снижение энергетических затрат водителя при маневрировании с низкими скоростями или повороте управляемых колес (звеньев сочлененного автомобиля) на месте на поверхностях с высокими сцепными свойствами. При этом должна достигаться требуемая эффективность усилителя независимо от режима работы двигателя при угловой скорости рулевого колеса до 10 рад/с.
2. Обеспечение оптимальных по эргономическим условиям нагрузочных и скоростных характеристик рулевого управления при движении с высокими и средними скоростями, т.е. таких усилий на рулевом колесе, при которых чувствительность водителя и точность дозирования управляющих воздействий наибольшие, а утомляемость наименьшая. Ввиду того, что требуемая эффективность усилия определяется по наиболее трудному режиму поворота колес на месте, при движении на высоких скоростях она оказывается завышенной. Вследствие этого усилия на рулевом колесе снижаются настолько, что значительно уменьшается точность управления и ухудшается безопасность движения. Поэтому целесообразно, чтобы с увеличением скорости автомобиля эффективность усилителя снижалась в пределах допустимых усилий на рулевом колесе.
3. Обеспечение удержания автомобиля на дороге при повреждении шин или подвески, а также возможности управления автомобилем при отказе усилителя. Если при управлении в этом режиме усилия превышают 500 Н, то необходимо использовать дополнительные источники энергии усилителя, дублирование элементов усилителя и т.п. Целесообразно применение устройств, сигнализирующих при отказе элементов усилителя.
4. Сохранение стабилизации колес (т.е. способность удерживать их в нейтральном положении при воздействии различных возмущающих факторов и автоматически возвращаться в нейтральное положение), эффективное гашение толчков и ударов со стороны дороги, исключение возможности автоколебаний управляемых колес. Желательно использовать усилители для принудительного возвращения управляемых колес в положение прямолинейного движения при освобождении рулевого колеса.
5. Снижение непроизводительных энергетических затрат на работу усилителя.
Для удовлетворения всех выше перечисленных требований были разработаны усилители различных типов. Классификационными признаками усилителей являются компоновочные и конструктивные особенности, особенности их агрегатов и узлов.
Одним из основных и неоспоримых преимуществ рулевого усилителя является облегчение работы рук при выполнении парковочных маневрах, когда водителю приходится совершать большое количество оборотов рулевого колеса при максимальном усилии, а также в случаях, когда автомобиль преодолевает затяжной поворот.
Помимо этого рулевой усилитель обладает еще одним, весьма полезным свойством. При прохождении автомобилем участков дорог с множеством неровностей, на руль передаются удары, которые вызываются этими неровностями, что, делает поезду менее комфортной и приводит к повышению усталости водителя. Рулевой усилитель в этих случаях является неким демпфером, устройством, гасящим такие удары.
Но, однако, у рулевых усилителей есть и недостатки. Так, одним из основных минусов этих устройств является отсутствие либо нехватка реактивного усилия на руле. Причиной этого чаще всего оказывается гидроусилитель, он слишком активно участвует в помощи водителю, нейтрализуя любое возвращающее усилие, которое возникает при повороте рулевого колеса. Но именно это возвращающее усилие, небольшое по величине, и обеспечивает так называемое "чувство автомобиля".
Поэтому задача конструкторов при разработке и настройке ходовой части при наличии гидроусилителя оказывается достаточно сложной.
Это происходит из-за того, что существует необходимость увязать воедино массу факторов для того, чтобы добиться хорошей информативности рулевого привода и одновременно не сделать рулевой вал слишком тугим. К таковым фактором, безусловно, относятся: производительность насоса, параметры золотника и жесткость торсиона, геометрию передней подвески и углы установки колес (от этого в первую очередь зависит величина возвращающего усилия), параметры задней подвески, уводные характеристики шин, а также жесткость кузова на скручивание.
Еще одна задача, стоящая перед конструкторами-разработчиками, — сделать так, чтобы на маленькой скорости руль был легко вращаем, то есть без приложения чрезмерных усилий на рулевое колесо, а на большой скорости - становился более упругим и информативным.
Тем не менее, несколько лет назад, наконец, появились серийные гидроусилители с электронной регулировкой работы распределителя в зависимости от скорости. Помимо чисто механических вариантов решения данной проблемы существует смешанный вариант, когда привод насоса осуществляется не от коленчатого вала двигателя, как это чаще всего и реализуется, а от электромотора. В этом случае посредством электронного блока управления можно менять частоту вращения электропривода, а значит, и варьировать производительность насоса в возможных любых пределах. Такая схема применяется в гидроусилителях автомобилей Mercedes-Benz А-класса.
Здесь мы подходим к еще одному недостатку гидроусилителей. Дело в том, что на привод гидронасоса уходит несколько лошадиных сил. Возникает естественная в данной ситуации идея вообще отключать насос на прямых участках дороги в целях экономии топлива, но на практике эта идея неосуществима. Гидроусилитель достаточно инертен, поэтому если резко отклонить руль, то давление не успеет возрасти быстро, и таким образом, усилитель просто не поможет водителю в управлении.
Решением данной проблемы являются электромеханические усилители, в которых какие-либо гидравлические узлы отсутствуют. На торсионе следящего устройства стоит датчик, и в зависимости от его сигнала электроника подает ток нужной полярности и силы на обмотки электромотора, связанного с рулевым механизмом через червячную передачу. А по сигналам от датчика скорости можно изменять характеристику усилителя в соответствии с любой заложенной в память блока зависимостью.
Для реализации требований, предъявляемых к рулевому управлению, усилитель должен обеспечивать оптимальные нагрузочные и скоростные характеристики системы управления автомобилем. К рулевым усилителям (всех типов) предъявляются следующие требования:
1. Снижение энергетических затрат водителя при маневрировании с низкими скоростями или повороте управляемых колес (звеньев сочлененного автомобиля) на месте на поверхностях с высокими сцепными свойствами. При этом должна достигаться требуемая эффективность усилителя независимо от режима работы двигателя при угловой скорости рулевого колеса до 10 рад/с.
2. Обеспечение оптимальных по эргономическим условиям нагрузочных и скоростных характеристик рулевого управления при движении с высокими и средними скоростями, т.е. таких усилий на рулевом колесе, при которых чувствительность водителя и точность дозирования управляющих воздействий наибольшие, а утомляемость наименьшая. Ввиду того, что требуемая эффективность усилия определяется по наиболее трудному режиму поворота колес на месте, при движении на высоких скоростях она оказывается завышенной. Вследствие этого усилия на рулевом колесе снижаются настолько, что значительно уменьшается точность управления и ухудшается безопасность движения. Поэтому целесообразно, чтобы с увеличением скорости автомобиля эффективность усилителя снижалась в пределах допустимых усилий на рулевом колесе.
3. Обеспечение удержания автомобиля на дороге при повреждении шин или подвески, а также возможности управления автомобилем при отказе усилителя. Если при управлении в этом режиме усилия превышают 500 Н, то необходимо использовать дополнительные источники энергии усилителя, дублирование элементов усилителя и т.п. Целесообразно применение устройств, сигнализирующих при отказе элементов усилителя.
4. Сохранение стабилизации колес (т.е. способность удерживать их в нейтральном положении при воздействии различных возмущающих факторов и автоматически возвращаться в нейтральное положение), эффективное гашение толчков и ударов со стороны дороги, исключение возможности автоколебаний управляемых колес. Желательно использовать усилители для принудительного возвращения управляемых колес в положение прямолинейного движения при освобождении рулевого колеса.
5. Снижение непроизводительных энергетических затрат на работу усилителя.
Для удовлетворения всех выше перечисленных требований были разработаны усилители различных типов. Классификационными признаками усилителей являются компоновочные и конструктивные особенности, особенности их агрегатов и узлов.
Результатом выполнения ВКР является датчик момента на рулевом вале электромеханического усилителя руля автомобиля Лада Веста, который предназначен для определения величины приложенного водителем момента. В ходе работы был проведен анализ существующих систем усилителей и используемых датчиков момента, а также определены тенденции их развития. Наибольшее распространение на данный момент имеют гидравлические усилители, которые вытесняются электрогидравлическими и электрическими усилителями. Основными достоинствами электроусилителя являются: меньшие габариты, точное следящее действие, экономичность, низкий уровень шума, быстродействие, дают возможность создавать многорежимною систему, модульность конструкции и др.
Одной из основных частей электрического усилителя является датчик момента на рулевом вале. Из проведенного патентного исследования и анализа мы выяснили, что можно выделить 4 наиболее распространенных варианта конструкций датчика: механические, с постоянными магнитами и (или) датчиком Холла, оптические, магнитострикционные. Из них наиболее перспективными являются оптические датчики, которые предоставляют возможность совмещения, в будущем, с датчиком положения рулевого колеса.
Разрабатываемый датчик использует токовихревой способ измерения. К его достоинствам можно отнести бесконтактный способ измерения, простоту изготовления.
В разделе БЖД рассмотрены вопросы пожарной безопасности и выбора средств защит.
Одной из основных частей электрического усилителя является датчик момента на рулевом вале. Из проведенного патентного исследования и анализа мы выяснили, что можно выделить 4 наиболее распространенных варианта конструкций датчика: механические, с постоянными магнитами и (или) датчиком Холла, оптические, магнитострикционные. Из них наиболее перспективными являются оптические датчики, которые предоставляют возможность совмещения, в будущем, с датчиком положения рулевого колеса.
Разрабатываемый датчик использует токовихревой способ измерения. К его достоинствам можно отнести бесконтактный способ измерения, простоту изготовления.
В разделе БЖД рассмотрены вопросы пожарной безопасности и выбора средств защит.