Датчики частоты вращения колеса Применение Датчики частоты вращения колеса служат для определения скорости вращения колес автомобиля (числа оборотов колеса). Сигналы частоты вращения передаются по кабелю в блок управления ABS, ASR или ESP автомобиля, который индивидуально управляет силой торможения каждого колеса. Этот контур регулирования предотвращает блокирование (при наличии ABS) или прокручивание колес (при наличии ASR или ESP) и гарантирует устойчивость и управляемость автомобиля. Системы навигации также нуждаются в сигналах частоты вращения колеса, чтобы рассчитывать пройденный путь (например, в туннелях или при отсутствии сигналов спутника).
Конструкция и принцип действия Сигналы для датчика частоты вращения колеса формируются с помощью стального импульсного датчика, жестко соединенного со ступицей колеса (для пассивных датчиков), или мультиполюсного магнитно-импульсного датчика (для активных датчиков). Этот импульсный датчик имеет такую же скорость вращения, что и колесо, и проходит бесконтактно чувствительную зону головки датчика. Датчик «считывает» без прямого контакта через воздушный зазор величиной до 2 мм (рис. 2). Воздушный зазор (с небольшими допусками) служит для того, чтобы обеспечить процесс получения сигнала без помех. Возможные помехи, такие как колебания, вибрации, температура, влажность, условия установки на колесе и пр. исключаются.
b Ромбовидный контактный штифт (крестовидный индуктор)
С 1998 г. вместо пассивных (индуктивных) датчиков частоты вращения в новейших разработках используются практически исключительно активные датчики частоты вращения колеса. Пассивные (индуктивные) датчики частоты вращения состоят из постоянного магнита (рис. 2, поз. 1) и соединенного с ним магнитомягкого полюсного контактного штифта (3), который вставлен в катушку (2). Таким образом, создается постоянное магнитное поле. Полюсный контактный штифт находится прямо над импульсным колесом (4), зубчатым колесом, жестко соединенным со ступицей. Во время вращения импульсного колеса существующее постоянное магнитное поле «нарушается» из-за постоянной смены зубца и впадины. За счет этого изменяется магнитный поток, проходящий через полюсный контактный штифт, а вместе с ним и магнитный поток, проходящий через витки катушки. Смена магнитных полей индуцирует в обмотке переменное напряжение, которое снимается на концах обмотки. Как частота, так и амплитуда переменного напряжения пропорциональны числу оборотов колеса (скорости вращения) (рис. 3). Когда колесо не движется, индуцируемое напряжение также равно нулю. Форма зубцов, воздушный зазор, крутизна скачка напряжения и входная чувствительность прибора управления определяют минимальную измеряемую скорость автомобиля, а также минимально возможную для использования ABS чувствительность срабатывания и скорость переключения.
Рисунок № 2 Чертеж принципа действия пасивного датчика скорости вращения
1 Постоянный магнит 2 Магнитная катушка 3 Полюсный контактный штифт 4 Импульсное колесо из стали 5 Магнитные линии поля
Поскольку условия монтажа на колесе не везде одинаковые, существуют различные формы полюсных контактных штифтов и различные варианты монтажа. Наиболее распространены резцовый полюсный контактный штифт (рис. 1а, также называемый плоским индуктором) и ромбовидный контактный штифт (рис. lb, также называемый крестовидным индуктором). Оба полюсных контактных штифта при монтаже должны быть точно направлены к импульсному кольцу.
Рисунок № 3 Выходное напряжение сигнала пассивного датчика скорости вращения
а Пассивный датчик скорости вращения с импульсным кольцом
b Сигнал датчика при постоянной скорости вращения колеса
с Сигнал датчика при возрастающей скорости вращения колеса
Активный датчик скорости вращения Сенсорные элементы В современных тормозных системах используются практически исключительно активные датчики скорости вращения (рис. 4). Обычно они состоят из герметично залитой пластиком кремниевой интегральной микросхемы, распложенной в головке датчика. Наряду с магниторезистивными интегральными микросхемами (изменение электрического сопротивления при изменении магнитного поля) фирма «Bosch» все еще использует в больших объемах сенсорные элементы Холла, которые реагируют на малейшие изменения магнитного поля и поэтому могут использоваться при воздушных зазорах большего размера по сравнению с пассивными датчиками скорости вращения. Активное (импульсное) кольцо В качестве импульсного кольца активного датчика скорости вращения используется мультиполюснное колесо. Речь идет о поочередно расположенных постоянных магнитах, расположенных в форме кольца на немагнитном металлическом носителе (рис. 6 и рис. 7а). Северный и южный полюса этих магнитов выполняют функцию зубцов импульсного кольца. На интегральную микросхему датчика воздействует постоянно изменяющееся магнитное поле. Поэтому магнитный поток, проходящий через интегральную микросхему, также изменяется при вращении мультиполюсного кольца.
Рисунок № 4 Активный датчик скорости вращения
В качестве альтернативы мультиполюсному кольцу можно использовать стальное зубчатое колесо. В этом случае на интегральную микросхему Холла устанавливается магнит, вырабатывающий постоянное магнитное поле (рис. 7b). Во время вращения импульсного кольца существующее постоянное магнитное поле подвергается воздействию «помех» из-за постоянной смены зубца-выемки. В остальном принцип измерения, обработки сигнала и интегральная микросхема идентичны таковым в датчике без магнита.
Рисунок № 5 Экспозиционный чертеж с мультиполюсным импульсным датчиком
Характеристики Типичное явление для активного датчика скорости вращения — интеграция измерительного элемента Холла, усилителя сигнала и подготовки сигнала в интегральной микросхеме (рис. 8). Данные о скорости вращения передаются в виде подводимого тока в форме прямоугольных импульсов (рис. 9). Частота импульсов тока пропорциональна числу оборотов колеса, а считывание показаний возможно почти до остановки колеса (0,1 км/ч).
Рисунок № 6 тивный датчик скорости вращения в разрезе
1 Сенсорный элемент 2 Мультиполюсное кольцо со сменным намагничиванием север-юг
Рисунок № 7 Чертеж принципа работы при определении скорости вращения
а Интегральная микросхема Холлас мультиполюсным импульсным датчиком
b Интегральная микросхема Холла со стальным импульсным кольцом и магнитом в датчике
1 Сенсорный элемент 2 Мультиполюсное кольцо 3 Магнит 4 Стальное импульсное колесо
Питающее напряжение находится в диапазоне между 4,5 и 20 Вольт. Уровень прямоугольного выходного сигнала составляет 7 мА (низкий) и 14 мА (высокий). При такой форме передачи цифровых сигналов, например, индуктивное напряжение помех является неэффективным по сравнению с пассивным индуктивным датчиком. Связь с блоком управления осуществляется двухпроводным кабелем.
Компактная конструкция и небольшой вес позволяют монтировать активный датчик скорости вращения на подшипнике колеса или в нем (рис. 10). Для этого подходят различные стандартные формы головки датчика.
Рисунок № 9 Преобразование сигнала в интегральной микросхеме Холла
0S1 Верхний порог переключения
US1Нижний порог переключения
Рисунок № 10 Подшипник колеса с датчиков скорости вращения
1 Датчик скорости вращения
Цифровая обработка сигнала позволяет передавать кодированную дополнительную информацию с помощью широтноимпульсно-модулируемого выходного сигнала (рис. 11). Определение направления вращения колес: это особенно необходимо для функции «Hill Hold Control», предотвращающей откат автомобиля назад во время подъема на гору. Определение направления вращения также используется для навигации автомобиля. Определение состояния остановки: эти данные также обрабатываются в функции «Hill Hold Control». Дальнейшая обработка данных входит в раздел самодиагностики. Качество сигнала датчика: можно передавать данные о качестве сигнала датчика. Посредством этого водитель в случае ошибки может получить информацию о необходимости своевременно обратиться в сервисную службу.
Рисунок № 11 Кодированная передача данных с помощью широтно-импульсно-модулируемых сигналов
а Сигнал скорости при движении назад b Сигнал скорости при движении вперед с Сигнал, когда автомобиль стоит d Качество сигнала датчика, самодиагностика
Сегодня каждый новый автомобиль должен быть оснащен системой стабилизации, которая, в свою очередь, основана, среди прочего. на информацию из системы ABS. Это стандартно для всех автомобилей уже более десятка лет, и в принципе сегодня трудно купить подержанную машину без ABS. Читая описание работы системы ABS или ESP, мы всегда узнаем о загадочных датчиках, которые рассчитывают скорость колес автомобиля. Сегодня вы узнаете, что это за датчики, как они работают, почему они выходят из строя и каковы симптомы и последствия их отказа.
Основной задачей датчиков скорости вращения колес является сбор информации о скорости движения колес для системы ABS, контролирующей тормозное усилие. Когда скорость колеса падает ниже определенного значения, АБС включается и уменьшает тормозное усилие, чтобы колеса не скользили. Система ABS связывается с другими электронными системами, такими как система контроля тяги (TC) и система стабилизации (ESP), посылая им информацию о скорости отдельных колес. Это, в свою очередь, позволяет управлять другими компонентами, чтобы предотвратить боковое или продольное скольжение автомобиля. Вот и все, что касается цели и задач датчиков.
Датчики вращения колес делятся на пассивные и активные по принципу действия. На практике различие может быть определено таким образом, что пассивным датчикам не требуется внешнее питание для генерации выходного сигнала, а активным необходимо.
Пассивные датчики скорости вращения колес
Активные датчики скорости вращения колеса
Активные датчики работают совершенно по-другому, хотя они также взаимодействуют с диском, расположенным на колесе. Здесь, однако, мы имеем дело с многополярным магнитным кольцом, на поверхности которого имеются магнитные поля. Его можно визуализировать как колесо рулетки, на котором вместо черных и красных полей с числами у нас есть полярные поля N и S. В датчике, взаимодействующем с таким кольцом, есть полупроводниковые элементы, которые распознают изменяющееся магнитное поле, создаваемое кольцо. Это создает сигнал, который читается контроллером.
Датчики, использующие эффект Холла, являются более новым и определенно более популярным решением, так же как и датчик положения коленчатого вала. Здесь для взаимодействия с датчиком используются активный датчик с магнитом и импульсный экран. Когда колесо вращается, возникает небольшое напряжение и изменение магнитного поля, и эта информация поступает на контроллер. Датчики этих типов допускают больший зазор между циферблатом и датчиком.
Симптомы отказа датчиков скорости колеса
Первым признаком повреждения датчиков скорости колеса является индикатор АБС или другие системы противоскольжения.
Причины выхода из строя датчиков скорости вращения колеса
Для начала вам нужно знать, что сам датчик не всегда отвечает за помехи в работе системы ABS, потому что точно такие же симптомы появятся, когда один из проводов поврежден. Также при езде на запасном колесе меньшего диаметра загорается соответствующий индикатор на приборной панели. Датчик или диск часто пачкаются, особенно зимой, когда на дорогах есть соль. Датчик не будет работать должным образом, когда есть люфт подшипника колеса. Зачастую причиной неполадок являются прозаические, например, слишком низкое давление в одной из шин или изменение размера шин на одной из осей. Иногда датчики не работают должным образом, когда аккумулятор находится в плохом состоянии или поврежден предохранитель, отвечающий за системы ABS и ESP. Сильно деформированные тормозные диски будут генерировать не только вибрации, но и ошибочные сигналы для датчиков. Бывает и так, что при замене подшипника на декодирующий диск он был установлен вверх ногами.
Сами датчики чрезвычайно надежны, и чаще всего происходит внутреннее короткое замыкание или механическое повреждение датчика. Чтобы убедиться, что проблема действительно вызвана датчиком вращения колеса, после тщательного осмотра и визуальной оценки датчиков и кабелей проверьте напряжение, подаваемое на датчик и его сигналы, с помощью соответствующих устройств (осциллограф или мультиметр). Если виновником сбоя является сам датчик, остается только его заменить. При замене обратите особое внимание на провода и их прокладку и убедитесь, что они надежно закреплены.
После замены запасного колеса на другое, может появиться сообщение о неисправности системы ABS
Что такое датчик частоты вращения? как устроен, где применяется?
Что измеряют датчики скорости и частоты вращения
До определенного момента эта форма датчика позволяет измерять мгновенную скорость в точках на окружности и, соответственно, регистрировать очень мелкие угловые доли.
Примерами относительной частоты вращения являются частота вращения коленчатого или распределительного вала двигателя, частота вращения кулачкового вала топливного насоса высокого давления дизеля, частота вращения колес автомобиля (ABS, TCS, ESP). Измерения в основном выполняются с помощью системы инкрементных датчиков, состоящей из шестерни и датчика частоты вращения.
Формы датчиков скорости
Используются различные формы датчиков (рис. «Различные формы датчиков» ): стержневые, вильчатые и кольцевые (внутренние и внешние). Благодаря простоте монтажа, самым распространенной формой датчика является стержневая. Стержневой датчик размещается рядом с ротором, зубья которого приближаются к нему и проходят в непосредственной близости. Однако датчики такой формы имеют самую низкую чувствительность измерений. В некоторых случаях допускается использование вильчатых датчиков, нечувствительных к осевому и радиальному люфту. В установленном состоянии этот датчик должен быть примерно совмещен с ротором. Тип датчика, в котором датчик окружает вал ротора в форме кольца, уже практически не используется.
Требования к новым датчикам скорости
Во многих отношениях более ранние традиционные датчики индуктивного типа показывают очень неудовлетворительные результаты. Они выдают амплитуду, зависимую от частоты вращения, и поэтому непригодны для низких оборотов, допускают лишь относительно небольшие допуски воздушного зазора, и большей частью неспособны отличить колебания зазора от импульсов частоты вращения. По крайней мере, конец датчика- из-за своей близости к тормозу (в случае с датчиками скорости вращения колес), должен быть стойким к высоким температурам. Эти недостатки находятся позади дополнительных функций, на которые нацелено новое поколение датчиков:
Магнитостатические датчики (датчики Холла, магниторезисторы, AMR) очень хорошо отвечают первым двум требованиям. И, как правило, они также обеспечивают соответствие второму и третьему требованиям.
На рис. «Схема расположения датчиков, нечувствительных к колебаниям воздушного зазора» показаны три, в принципе, приемлемые формы датчиков, обычно нечувствительные к колебаниям зазора. Здесь следует различать датчики с радиальным и тангенциальным считыванием. Это означает, что, независимо от зазора, магнитостатические датчики всегда смогут отличить северный и южный полюса магнитноактивного полюсного колеса или роторного кольца. В случае с магнитнопассивными роторами знак выходного сигнала уже не будет зависеть от зазора при регистрации напряженности тангенциального поля (хотя тот факт, что зазор часто увеличивается из-за ротора, является здесь недостатком). Однако часто используются также радиально измеряющие градиентные датчики, которые по сути лишь регистрируют градиент радиального поля, изменяющий свой знак не при изменении зазора, а только при изменении угла поворота.
Роторы
Ротор имеет ключевое значение для измерения скорости вращения; однако он обычно поставляется автопроизводителем, в то время как сам датчик приходит от поставщика. До недавних пор почти исключительно использовались магнитнопассивные роторы, состоящие из магнитомягкого материала, обычно железа. Они дешевле магнитотвердых полюсных колес и проще в обращении, поскольку не намагничиваются, и нет опасности взаимного намагничивания (например, во время хранения). Как правило, при одинаковых инкрементной ширине и выходном сигнале, внутренний магнетизм полюсного колеса (полюсное колесо определяется как магнитноактивный ротор) допускает значительно больший зазор.
О справочнике
За последние время автомобилестроение превратилось в чрезвычайно сложную отрасль. Все труднее и труднее становится представить всю отрасль в целом, и еще сложнее постоянно следить за направлениями, которые важны для автомобилестроения. Многие из этих направлений подробно описаны в специальной литературе. Тем не менее, для тех, кто впервые сталкивается с данными темами, имеющаяся специальная литература не представляется легкой и тяжело усваивается в ограниченные сроки. В этой связи этот «Автомобильный справочник» будет очень кстати. Он структурирован таким образом, чтобы быть понятным даже для тех читателей, которые впервые встречаются с каким-либо разделом. Наиболее важные темы, относящиеся к автомобилестроению, собраны в компактном, простом для понимания и удобном с практической точки зрения виде.
Что такое датчик оборотов и зачем он нужен?
Датчик оборотов предусмотрен в устройстве мотора для выполнения функции синхронизирования системы зажигания и впрыска топлива. Нередко этот измеритель еще называют измерителем частоты вращения. Датчик оборотов передает нужную информацию в электрический блок, а также данные о том, какие вращения поддерживает коленчатый вал в конкретный момент. Данный измеритель считается важнейшим механизмом автомобиля, поскольку именно от него зависит взаимодействие большинства систем. Он помогает обеспечить корректное функционирование всего транспортного средства. Особые сигналы обрабатываются ЭБУ и посылаются в измеритель для того, чтобы выяснить несколько важных моментов. Это количество впрыскиваемого топлива в данный момент, сам момент впрыска и время для активации клапана адсорбера, а также момент зажигания и угол поворота распределительного вала. Ну и понятное дело, для определения неисправности и проверки прибора, его для начала необходимо найти в автомобиле.
Современные датчики скорости
Гоадиентные датчики
Содержат постоянный магнит, полюс которого обращен к зубчатому колесу. Его поверхность гомогенезирована тонкой ферромагнитной пластиной, на которой расположены два гальваномагнитных элемента на расстоянии примерно половины зубчатого интервала. Таким образом, один из элементов всегда находится напротив межзубного промежутка, а другой — напротив зуба. Измеряется различие в напряженности поля в двух смежных местоположениях на окружности. Выходной сигнал приблизительно пропорционален отклонению силы поля как функции угла на окружности, поэтому полярность не зависит от зазора.
Тангенциальные датчики
Тангенциальные датчики отличаются от их аналогов градиентного типа способом получения вариаций в полярности и напряженности магнитного поля, в компонентах, расположенных касательно к окружности ротора. Варианты конструкции включают тонкопленочную технологию AMR (вытянутые резисторы с поперечными полосками) или резисторы из одного сплава, по полу- или полной мостовой схеме. В отличие от градиентных датчиков, их не требуется адаптировать к конкретному шагу зубьев ротора, и они могут выполнять считывание в данной точке. Требуется локальное усиление, хотя их измерительный эффект на 1-2 порядка выше, чем у кремниевых датчиков Холла (рис. «Датчик оборотов AMR в виде датчика тангенциального поля» ).
При использовании интегрированного в подшипник датчика частоты вращения коленчатого вала, на общей рамке с выводами устанавливаются тонкопленочный анизотропный магниторезистивный датчик (AMR-датчик) и монолитная интегральная схема, производящая вычисления. С целью экономии пространства и защиты от влияния температуры, интегральная схема устанавливается под углом 90°.
Где располагается датчик частоты вращения?
Индукционный измеритель или датчик оборотов в основном располагается над маркерным диском транспортного средства. В свою очередь этот элемент может находится либо на маховике, либо на коленвале внутри блока цилиндров, либо спереди моторного отсека на коленвале. Очень часто небольшая кривизна зубцов маховика или наличие маленького скола могут привести к нарушениям в работе системы зажигания. Тогда силовой агрегат не сможет работать на повышенных частотах вращения и будет происходить хаотичное искрообразование. Кроме того, на некоторых автомобилях этот датчик может быть заменен датчиком Холла. Это устройство способно передавать в главный блок управления сигнал о фазах механизма газораспределения, а также обороты мотора. Если это так, то прибор будет расположен у распределительного вала. Если измеритель частоты вращения выйдет из строя, автомобилист не сможет завести свое транспортное средство. И если после доскональной проверки систем зажигания и топлива существенных отклонений не будет выявлено, нужно обязательно проверить работоспособность самого датчика оборотов. Если же возникает так называемое плавающее вращение двигателя, то понадобится проверить сразу все варианты проблем. Ну а для своевременного обнаружения неполадок желательно повести диагностику автомобиля.
Что можно сделать при выходе из строя датчика оборотов, подробнее будет рассказано в этом видео:
Используются различные формы датчиков (рис. «Различные формы датчиков» ): стержневые, вильчатые и кольцевые (внутренние и внешние). Благодаря простоте монтажа, самым распространенной формой датчика является стержневая. Стержневой датчик размещается рядом с ротором, зубья которого приближаются к нему и проходят в непосредственной близости. Однако датчики такой формы имеют самую низкую чувствительность измерений. В некоторых случаях допускается использование вильчатых датчиков, нечувствительных к осевому и радиальному люфту. В установленном состоянии этот датчик должен быть примерно совмещен с ротором. Тип датчика, в котором датчик окружает вал ротора в форме кольца, уже практически не используется.
Они выдают амплитуду, зависимую от частоты вращения, и поэтому непригодны для низких оборотов, допускают лишь относительно небольшие допуски воздушного зазора, и большей частью неспособны отличить колебания зазора от импульсов частоты вращения. По крайней мере, конец датчика- из-за своей близости к тормозу (в случае с датчиками скорости вращения колес), должен быть стойким к высоким температурам. Эти недостатки находятся позади дополнительных функций, на которые нацелено новое поколение датчиков:
Тангенциальные датчики отличаются от их аналогов градиентного типа способом получения вариаций в полярности и напряженности магнитного поля, в компонентах, расположенных касательно к окружности ротора. Варианты конструкции включают тонкопленочную технологию AMR (вытянутые резисторы с поперечными полосками) или резисторы из одного сплава, по полу- или полной мостовой схеме. В отличие от градиентных датчиков, их не требуется адаптировать к конкретному шагу зубьев ротора, и они могут выполнять считывание в данной точке. Требуется локальное усиление, хотя их измерительный эффект на 1-2 порядка выше, чем у кремниевых датчиков Холла (рис. «Датчик оборотов AMR в виде датчика тангенциального поля» ).