Датчик поперечного ускорения для чего нужен

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Датчики ускорения и вибрации

Датчики ускорения и вибрации могут использоваться для вклю­чения системы пассивной защиты автомо­биля, выявления детонации и управления работой двигателя, а также контроля по­перечных ускорений и изменений скорости полноприводных автомобилей с ABS. Вот о том, какими бывают датчики ускорения и вибрации, мы и поговорим в этой статье.

Что измеряют датчики ускорения

Все датчики ускорения измеряют силы, воз­действующие на (инертные) массы m путем ускорения а согласно основному закону механики:

Как и в случае с измерением силы, существуют системы для измерения и положения и ме­ханического напряжения. Первые особенно широко используются в области малых уско­рений. Системы измерения положения также позволяют использовать компенсационный метод, в котором вызванное ускорением системное отклонение компенсируется эк­вивалентной восстанавливающей силой, так что в идеале система практически всегда работает очень близко к нулевой точке (высокая линейность, минимальная перекрестная чувствительность, стойкость к высоким тем­пературам). Эти системы с управлением по положению также имеют большую жесткость и частоту отсечки, чем системы перемеще­ния того же типа. Здесь можно электронно создать любой недостаток механической амортизации.

Примеры типичных значений ускорений в автомобиле

Все датчики ускорения крепятся через пру­жины прямо к гравитационному маятнику (см. рис. «Датчики ускорения, измеряющие смещение«). Иными словами, инертная масса эластично соединяется с кузовом, ускорение которого требуется измерить. Это означает, что в ста­тическом случае сила ускорения находится в равновесии с восстанавливающей силой, воздействующей на пружину, отклоненную на х:

где с — постоянная пружины.

Следовательно, чувствительность измерения S будет равна:

Другими словами, большая масса вместе с небольшой жесткостью пружины (или по­стоянной пружины) дают высокую чувстви­тельность измерения. Если же уравнение записать полностью для статического и ди­намического случаев, то станет очевидно, что необходимо учитывать не только эластичность пружины, но и силу трения, и силу инерции:

Эти компоненты пропорциональны логиче­ским выводам в отношении времени пере­мещения х (р — коэффициент трения). По­лучающееся дифференциальное уравнение описывает колеблющуюся (резонирующую) систему. Если трение считать ничтожно ма­лым (р ≈ 0), то резонансная частота системы будет равна:

ω₀ = √ c/m

Таким образом, чув­ствительность измерения S напрямую свя­зана с резонансной частотой ω₀:

S·ω₀ 2 = 1

Иными словами, можно ожидать, что при увеличении резонансной частоты вдвое чув­ствительность уменьшится в четыре раза. Конечно, такие пружинно-массовые системы демонстрируют адекватную пропорциональ­ность между измеренной переменной и ам­плитудой только при частоте, которая ниже их резонансной частоты.

В случае чисто амплитудных систем не­обходимо обеспечить амортизацию, которая должна быть как можно точнее определена и как можно меньше зависима от температуры для получения как можно более унифицированного отклика частоты (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ) и предотвра­щения разрушительной остроты резонанса, которая может легко вывести систему из строя. Если коэффициент трения р нормали­зовать, то получим стандар­тизированный коэффициент амортизации D.

D = (p/2·c)·ω₀ =p/(2· √ c·m)

Этот коэффициент амортизации в значитель­ной степени определяет переходную и резо­нансную характеристики. В то время как при периодическом возбуждении с коэффициен­тами амортизации D > √ 2/2 ≈ 0,707 большей остроты резонанса уже не возникает (рис. «Амплитудно-резонансная кривая» ), любое колеблющееся переходное состояние в случае ступенчатого возбуждения исчезает при коэффициенте D > 1. Для достижения как можно более широкой полосы пропуска­ния на практике обычно используют компро­миссные значения D = 0,5-0,7.

Применение датчиков ускорения

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические биморфные упругие элементы (двухслойная пьезокерамика) используются в пусковых устройствах ава­рийных натяжителей ремней безопасности, подушек безопасности и штанг против опро­кидывания автомобиля (рис. «Пьезоэлектрический датчик» ). Их инерционная масса под действием ускорения вызывает деформацию, обеспечивающую достаточный динамический сигнал с благоприятными для обработки характеристиками (обычно предел по частоте равен 10 Гц).

Чувствительный элемент датчика располо­жен в герметичном корпусе, содержащем также предварительный усилитель сигнала. Иногда в целях физической защиты его по­мещают в гель. Принцип активации датчика можно также инверсировать. Дополнитель­ный активирующий электрод упрощает про­верку датчика (бортовая диагностика).

Продольные элементы используются в каче­стве датчиков детонации (датчиков ускорения) в отслеживающих системах зажигания. С их по­мощью измеряется вибрационный шум в блоке двигателя (измеряемый диапазон ускорений составляет приблизительно 10g при обычной частоте колебаний 5-20 кГц). Некапсулирован­ное пьезокерамическое кольцо измеряет силы инерции, воздействующие на сейсмическую массу той же формы. Однако сегодня для обна­ружения детонации почти исключительно ис­пользуются более современные поверхностно- микромеханические датчики.

Емкостные кремниевые датчики ускорения

Первое поколение микромеханических дат­чиков основывалось на анизотропии и се­лективных методах травления для получения необходимых свойств системы «пружина- масса» в пластине (объемная кремниевая микромеханика) и необходимого профиля пружины (рис. «Объемный кремниевый датчик ускорения» ).

Емкостные датчики оказались особенно эф­фективны при высокоточных измерениях от­клонения инерционной массы. В конструкции используются вспомогательные кремниевые или стеклянные пластины с противополож­ными электродами выше и ниже подпружи­ненной инерционной массы. Создается трех­слойная конструкция, позволяющая защитить пластины и противоположные электроды от перегрузок. Заполнение герметично запаян­ной колебательной системы датчика точно отмеренным количеством воздуха — очень компактная, недорогая форма амортизации, которая также отличается низкой темпера­турной чувствительностью. В существующих конструкциях для непосредственного соеди­нения трех кремниевых пластин почти всегда используется процесс плавления. Ввиду раз­ного теплового расширения у различных ком­понентов, их необходимо устанавливать на кассетную подложку. Это имеет решающее значение для точности измерений. Использу­ется практически прямолинейный монтаж со свободной поддержкой в чувствительном диапазоне.

Датчики этого типа в основном исполь­зуются для определения ускорений низкого уровня ( Эта статья размещена в главе Автомобильная электроника и называется Датчики ускорения и вибрации. Добавьте в закладки ссылку.

Источник

Датчик ускорения (другое название – акселерометр) измеряет ускорение или в соответствии со вторым законом Ньютона силу, вызывающую ускорение инерционной массы. В системе курсовой устойчивости датчик ускорения измеряет силы, действующие на автомобиль и стремящиеся изменить заданную водителем траекторию движения. Датчик ускорения используется, как правило, совместно с датчиком угловой скорости.

В зависимости от оцениваемых сил различают датчики поперечного и продольного ускорения. Датчик поперечного ускорения измеряет силы, вызывающие боковой снос автомобиля. Данный датчик является обязательным элементом системы курсовой устойчивости.

Датчик продольного ускорения используется на автомобилях с полным приводом. На переднеприводных автомобилях продольное ускорение оценивается косвенным путем (давление в тормозной системе, частота вращения колес, режим работы двигателя). Конструктивно датчик продольного ускорения аналогичен датчику поперечного ускорения, но устанавливается под прямым углом к последнему.

Кроме системы динамической стабилизации датчик ускорения применяется в других автомобильных системах: системе пассивной безопасности (датчики удара), адаптивной подвеске, системе защиты пешеходов, системе контроля давления в шинах, системе адаптивного освещения, охранной сигнализации. Используемые в системах датчики различаются величиной измеряемого ускорения и способом измерения.

В системе курсовой устойчивости используются датчики ускорения емкостного типа, которые отличает простота конструкции и широкий температурный диапазон работы. Принцип действия емкостного акселерометра основан на изменении емкости чувствительного элемента при перемещении инерционной массы под действием ускорения.

Конструкция датчика ускорения объединяет два параллельных конденсатора, включающих две фиксированные обкладки и одну общую подвижную обкладку, находящуюся между ними. Ускорение, действующее на датчик, изменяет расстояние между обкладками и, тем самым, изменяет емкость конденсаторов. По изменению емкости конденсаторов система распознает направление и величину, действующего на автомобиль ускорения.

На самом деле чувствительный элемент датчик ускорения более сложный и представляет собой кремниевую микромеханическую систему. Она объединяет две гребневидные структуры, входящие зубьями друг в друга и образующими несколько пар конденсаторов.

Точность измерения требует расположение датчика ускорения как можно ближе к центру тяжести автомобиля. Конкретное место установки датчика различается в зависимости от марки и модели автомобиля (в тоннеле между передними сидениями, под сидением водителя, под рулевой колонкой и др.).

Для сокращения числа компонентов, экономии внутреннего пространства автомобиля используется блочное расположение датчиков. Так, в один сенсорный блок может быть интегрировано два датчика ускорения и датчик угловой скорости.

Если Вы заметили ошибку, неточность или хотите дополнить материал, напишите об этом в комментариях, и мы исправим статью!

Источник

Ремонт и техническое обслуживание автомобилей

Датчики ускорения (акселерометры)

В некоторых автомобильных ЭСАУ для фиксации величины ускорений требуются соответствующие датчики, которые обычно называют акселерометрами. Акселерометры используются в системах безопасности, навигационных системах, активной подвеске.
Пьезоэлектрические и тензорезистивные акселерометры создаются на основе твердотельных материалов, которые обладают электрической чувствительностью к механическим воздействиям.

Пьезоэлектрические акселерометры

Такой тип датчиков ускорения широко используется для вибрационных измерений, благодаря точности данных, надежности и простые конструкции (рис. 1, а). Чувствительность автомобильных акселерометров составляет около 20 мВ/g, они имеют малые размеры и выпускаются в интегральном исполнении с термокомпенсацией. Их погрешность составляет 0,5% при температурах -40. + 110 ˚С.

Рис. 1.
а) Принципиальная конструкция акселерометра;
б) Высокочастотный сигнал пьезодатчика;
в) Схема усилителя-формирователя для обработки сигнала пьезоэлектрического акселерометра

При деформации (сжатии) пьезокристалла на его гранях появляется электрический сигнал, пропорциональный ускорению. Рабочий диапазон частоты 5. 100000 Гц. Для обработки сигнала от подобных пьезоэлектрических датчиков используется электронный усилитель-формирователь (рис. 1, в). Акселерометры подушек безопасности автомобиля

Эти акселерометры являются механическими датчиками инерционного типа. Такие датчики обычно располагаются не дальше 40 см от предполагаемого места удара. Обычно используются 3. 5 датчиков.

Конкретное исполнение инерционных датчиков может отличаться у разных производителей системы безопасности, но все они работают по одному и тому же принципу.
В обычных условиях движения автомобиля выходные контакты акселерометра разомкнуты, они замыкаются, когда датчик испытывает отрицательное ускорение в диапазоне 15. 20 g, что соответствует наезду автомобиля на твердое препятствие со скоростью 15. 30 км/ч. Существует несколько конструкций акселерометров, применяемых в системах безопасности.

Рис. 2. Акселерометр с постоянным магнитом

Самыми распространенными механическими акселерометрами являются акселерометры с постоянным магнитом. Эта механическая конструкция (рис. 2) состоит из чувствительной массы (металлического шара), которая прочно удерживается в задней части небольшого цилиндра мощным постоянным магнитом.
Выходные электрические контакты датчика всегда разомкнуты, и при столкновении сила инерции металлического шара преодолевает притяжение магнита, шар двигается по цилиндру и замыкает контакты, сигнал поступает в ЭБУ.

В таких датчиках различные конструктивные параметры его элементов, например, масса шарика, сила притяжения магнита, демпфирование и др., увязываются с динамикой конкретного автомобиля при ударе. При этом учитывается вес автомобиля, конструкция корпуса, места расположения датчиков.

Специальные акселерометры

Их чувствительность к ударному ускорению выше, чем у механических, из-за амортизации корпуса. Используется один датчик для фронтального удара с диапазоном ±50 g.
Могут применяться датчики боковых ударов, пьезорезистивные или емкостные с погрешностью менее 5% и частотным диапазоном 0. 750 Гц.
Акселерометры используются также в активной подвеске для определения изменения нагрузки на колеса, их рабочий диапазон ±2 g, погрешность менее 5%, диапазон частот 0. 10 Гц.

В системах стабилизации движения автомобиля использовались акселерометры (рис. 3) для определения поперечных значений ускорения.
Подобные датчики также используются в системах полного привода с подключаемой муфтой в качестве датчиков продольного ускорения автомобиля. Преобразователем является датчик Холла 4, выходное напряжение которого зависит от величины отклонения чувствительного элемента – постоянного магнита 3, подвешенного на пруженной пластине 2 под действием ускорения.
Корпус 1 датчика выполняет роль магнитного демпфера.

Рис. 3. Датчик поперечного (продольного) ускорения автомобиля

Емкостные акселерометры

Емкостной датчик поперечного ускорения (рис. 4) представляет собой несколько последовательно соединенных конденсаторных пластин.
В корпусе 1 на подвеске 4 установлена подвижная конденсаторная пластина 3 с сейсмической массой (грузом), перемещающаяся при воздействии поперечных ускорений а.
Еще две конденсаторные пластины 2 неподвижны и установлены так, что образуется два последовательно соединенных конденсатора K1 и K2.
С помощью контактных площадок 5 датчик подключается к ЭБУ.

При отсутствии ускорения измеренные емкости С1 и С2 обоих конденсаторов равны по величине.
При возникновении поперечного ускорения массивная подвижная пластина под действием силы инерции смещается относительно неподвижных пластин встречно ускорению. При этом изменяются расстояния между пластинами и емкость каждого из конденсаторов, например, в конденсаторе K1 расстояние между пластинами увеличивается, емкость С1 уменьшается; в конденсаторе K22 расстояние между пластинами уменьшается, емкость С2 увеличивается.

Источник

Система ABS в машине: как она работает и как помогает при экстренном торможении

В современном автомобиле есть много систем, которые делают его более безопасным и помогают водителю им управлять.

Инженеры постоянно улучшают их и придумывают новые, уже есть машины с полноценным автопилотом. Но одной из первых систем безопасности была антиблокировочная система тормозов — ABS. Эта статья расскажет, какую проблему решает ABS, как она работает и почему может испугать.

Как работают тормоза современного автомобиля

Когда водитель нажимает на педаль тормоза, давление жидкости в тормозной системе повышается. Через металлические трубки и шланги жидкость подходит к тормозным механизмам в колесах и вынуждает колодки прижиматься к тормозному диску или барабану.

Между педалью и колодкой в системе есть много устройств: главный тормозной цилиндр, распределяющий усилия между всеми колесами автомобиля, и вакуумный усилитель, который позволяет водителю давить на педаль с меньшим усилием.

Чем страшна блокировка колес при торможении

Если водитель нажимает на педаль достаточно сильно, то тормозного усилия хватит для полной блокировки колес: машина «пойдет юзом» — колеса остановятся, а автомобиль продолжит движение по инерции. На асфальте останутся яркие черные следы, на покрышках появится локальный износ: они могут сильно пострадать и даже прийти в негодность. Представьте себе, как изнашивается стирательная резинка — с шиной произойдет почти то же самое.

Если водитель продолжит давить на тормоз, то рано или поздно полностью потеряет контроль над автомобилем. С заблокированными передними колесами не получится изменить траекторию движения, даже если повернуть руль до упора. Такая ситуация опасна и для водителя, и для других участников движения. Система ABS борется именно с этим явлением: она предотвращает блокировку колес при торможении и позволяет сохранить контроль над автомобилем в момент экстренного торможения.

Курс о больших делах

Как устроена ABS

С 2004 года систему в обязательном порядке ставят на все новые автомобили, которые продают на территории Евросоюза, а с 2012 года такое правило заработало и в США.

Система состоит из нескольких элементов.

Датчики скорости вращения колес. Чтобы бороться с блокировкой колеса эффективно, система должна отслеживать эту скорость и срабатывать в нужный момент. За это отвечают специальные датчики, установленные на каждом колесе, а точнее — на ступице. Они отслеживают вращение по специальному магнитному кольцу.

На более старых машинах датчики могут быть импульсными и считывать скорость по специальным зубчатым кольцам, такой вариант менее точный. Полученную информацию датчики передают в блок управления ABS.

Блок управления — микросхема в специальном корпусе. На основе информации с датчиков блок управления ABS определяет, какое колесо близко к блокировке и где нужно уменьшить давление в тормозной системе.

Насос и клапаны — органы управления системы. При срабатывании системы участие водителя уже не требуется: с помощью открытия и закрытия клапанов, объединенных в одном корпусе, ABS уменьшает и увеличивает давление в тормозной системе до 20 раз в секунду. А значит, меняется тормозное усилие на колесах и они не блокируются. Насос ABS работает только в момент активации системы и позволяет быстро восстановить давление в системе.

Главная задача ABS

Благодаря этой системе колеса автомобиля не блокируются и водитель сможет им управлять, даже выжав педаль тормоза «в пол». Автомобиль с работающей ABS реагирует на поворот руля, пусть и с некоторой задержкой. Так можно избежать ДТП или минимизировать его последствия, а заодно снизить скорость и увернуться от препятствия.

Представим, перед водителем кто-то резко оттормаживается. Автомобиль без ABS пойдет по инерции строго прямо, как бы водитель не крутил руль. Автомобилем с ABS можно как-то управлять, и самое главное — тормозной путь будет сильно короче, а значит будет больше шансов не догнать чужую машину. Даже если это случится, повреждения будут менее критичными и за ремонт удастся заплатить гораздо меньше.

Но в некоторых случаях тормозной путь машины с ABS может быть длиннее. Например, если машина на летней резине зимой, если под колёсами песок, земля или неприкатанный снег.

Разные виды антиблокировочных систем, их развитие

Первые антиблокировочные системы были одноканальными и работали только на одной оси автомобиля: работали одновременно и одинаково влияли на оба колеса оси. Актуальные системы поддерживают четыре канала, по одному на каждое колесо, каждый может работать независимо.

Дальнейшее развитие — дополнение, система распределения тормозных усилий (EBD). Она работает не только при экстренном торможении и контролирует распределение тормозных усилий задолго до блокировки колес. C EBD автомобиль стабилен при торможении, это особенно заметно, если под колесами разное покрытие. Например, если левые колеса на асфальте, а правые на льду, система поможет избежать заноса или сноса.

Если добавить в ABS и EBD датчики положения рулевого колеса, дроссельной заслонки и поперечного ускорения, у машины появится система стабилизации. В зависимости от производителя автомобиля и возможностей ее называют ASR, ESP, DSC, VDC или как-то еще.

В основе лежит тот же принцип — система анализирует разницу в скоростях вращения колес, но не только. Блок управления системой также анализирует угол поворота руля, положение педалей газа и тормоза, поперечное ускорение и другие параметры. На основе этих данных одно или несколько колес могут притормозить благодаря клапанам в блоке ABS. Это поможет стабилизировать автомобиль и выйти из заноса.

Как пользоваться ABS и быть готовым к тому, что она сработает

Система не требует от водителя каких-то особых навыков. Он просто оценивает дорожную ситуацию и нажимает на педаль. Тем не менее ABS может испугать неопытного водителя: когда система работает на педали тормоза, будет сильная вибрация. Это работают насос и клапаны, которые регулируют давление в разных частях тормозной системы.

Автомобилем, у которого сработала ABS, управлять сложнее. Реакции на поворот руля очень замедленны и менее точны. Водителю нужно понимать, что при торможении с ABS рулить нужно с опережением. Если рядом нет других автомобилей или препятствий — поверните руль сильнее, чем при обычной езде.

Если ваш опыт вождения скромный, то лучше познакомиться с ABS заранее. Для этого подойдет пустая парковка или площадка с асфальтовым покрытием — эксперименты с ABS на неровных грунтовых дорогах и площадках не дадут нужного опыта. Выполните несколько экстренных торможений — резко нажимайте педаль тормоза до упора. Начните с торможения с 30 км/ч, потом увеличьте скорость. Помните о безопасности и ПДД.

Когда экстренное торможение по прямой будет уже понятным, попробуйте тормозить с ABS и маневрировать. Желательно повторить эти упражнения в разных погодных условиях: на сухом асфальте, на мокром и зимой, на снежном и ледяном покрытиях. Это не сделает вас профессиональным водителем, но даст понимание, как ведет себя автомобиль при резком торможении и чего ждать от системы ABS. Однажды эти знания могут спасти как минимум бампер.

Источник

В системе курсовой устойчивости для оценки фактических параметров движения автомобиля используется несколько датчиков. Датчик угловой скорости определяет скорость вращения автомобиля вокруг вертикальной оси. Эту скорость еще называют скоростью рыскания, а сам датчик – датчиком рыскания. Датчик угловой скорости используется, как правило, совместно с датчиком ускорения.

Датчик рыскания представляет собой разновидность гироскопа, а именно вибрационный (камертонный) гироскоп. В датчике для определения вращения используется вибрирующий элемент. При вращении в вибрирующем элементе (вибрационном резонаторе) под действием силы Кориолиса возникают вторичные вибрации. Измерение параметров вторичной вибрации позволяет определить угловую скорость вращения автомобиля.

Датчик угловой скорости имеет микромеханическую структуру, в которой две кремниевые массы совершают колебания равной амплитуды, но в противоположном направлении. Физическая модель камертонного гироскопа может быть представлена двойным камертоном, состоящим из камертона возбудителя и соединенного с ним камертона измерителя. Камертоны имеют разную резонансную частоту колебаний.

При подаче на двойной камертон напряжения с частотой возбудителя, последний будет колебаться в резонансе, а камертон измерителя не колеблется. Камертон возбудителя, находящийся в резонансе, реагирует на внешние силы более инертно (с запаздыванием). Камертон измерителя при этом движется вместе с автомобилем. Двойной камертон закручивается, что приводит к изменению напряжения на выходе. Эти изменения определяются системой как крутящий момент вокруг вертикальной оси.

С целью экономии внутреннего пространства, сокращения элементной базы в системе курсовой устойчивости практикуется блочная компоновка датчиков. В одном блоке размещается датчик угловой скорости и один или два датчика ускорения.

Если Вы заметили ошибку, неточность или хотите дополнить материал, напишите об этом в комментариях, и мы исправим статью!

Источник