Система курсовой устойчивости автомобиля

1. Основная система курсовой устойчивости автомобиля при движении

Система курсовой устойчивости предназначена для сохранения устойчивости и управляемости автомобиля за счет заблаговременного определения и устранения критической ситуации. С 2011 г. оснащение системой курсовой устойчивости новых легковых автомобилей является обязательным в США, Канаде, странах Евросоюза.

Система позволяет удерживать автомобиль в пределах заданной водителем траектории при различных режимах движения (разгоне, торможении, движении по прямой, в поворотах и при свободном качении).

В зависимости от производителя различают следующие названия системы курсовой устойчивости:

• ESP (Electronic Stability Programme) на большинстве автомобилей в Европе и Америке;
• ESC (Electronic Stability Control) на автомобилях Honda, Kia, Hyundai;
• DSC (Dynamic Stability Control) на автомобилях BMW, Jaguar, Rover;
• DTSC (Dynamic Stability Traction Control) на автомобилях Volvo;
• VSA (Vehicle Stability Assist) на автомобилях Honda, Acura;
• VSC (Vehicle Stability Control) на автомобилях Toyota;
• VDC (Vehicle Dynamic Control) на автомобилях Nissan, Infiniti, Subaru.

Устройство и принцип действия системы курсовой устойчивости рассмотрены на примере самой распространенной системы ESP, которая выпускается с 1995 г.

Система курсовой устойчивости является системой активной безопасности более высокого уровня и включает антиблокировочную систему тормозов (ABS), систему распределения тормозных усилий (EBD), антипробуксовочную систему (ASR).

Конструктивные узлы ESP (рис. 1) включают основные узлы ABS. Устройство и принцип действия ABS.

Принципиальное отличие ESP от ABS в том, что ESP непрерывно следит за соответствием ускорений автомобиля желаниям водителя, выраженным в повороте рулевого колеса, в то время как ABS включается только при торможении.

Рис. 1. Общая компоновка электронной системы курсовой устойчивости ESP (на примере Skoda Fabia): 1, 2, 12, 13 — датчики частоты вращения колес; 3 — датчик давления в тормозной системе; 4 — активный усилитель тормозной системы; 5 — ЭБУ работой двигателя; 6 — ЭБУ работой коробки передач (только на моделях с автоматической коробкой передач); 7 — гидравлический блок с блоком управления ABS EDL/TCS/ESP; 8 — контрольная лампа TCS/ESP; 9 — контрольная лампа ABS; 10 — контрольная лампа двухконтурной тормозной системы и стояночного тормоза; 11 — диагностический разъем; 14 — система динамики автомобиля и поведения водителя; 15 — выключатель стоп-сигнала; 16 — датчик угла поворота рулевого колеса; 17 — кнопочный выключатель систем TCS/ESP; 18 — датчик рысканья; 19 — датчик бокового ускорения

Алгоритм работы системы зависит от режима движения ТС. Система курсовой устойчивости должна распознать начало заноса ТС и предотвратить его. Она определяет желаемое направление по углу поворота рулевого колеса, а датчики на всех колесах измеряют скорость их вращения. На основании этих данных БУ вычисляет фактическую траекторию движения, которая более 25 раз в секунду сравнивается с желаемым направлением. Управление автомобилем с системой ESP учитывает три степени свободы автомобиля на плоскости дороги (продольная и поперечная направляющие движения и поворот относительно вертикальной оси ТС). Если блок управления ESP вычисляет, что ускорение при разгоне автомобиля достигло критических значений и возникли условия для потери устойчивости ТС (заноса) и бокового скольжения колес передней и/или задней осей), система включает подтормаживание пробуксовывающих колес.

Входные датчики фиксируют конкретные параметры автомобиля и преобразуют их в электрические сигналы. С помощью датчиков система динамической стабилизации оценивает действия водителя и параметры движения автомобиля. Блок управления системы ESP принимает сигналы от датчиков и формирует управляющие воздействия на исполнительные устройства подконтрольных систем активной безопасности. При необходимости блок использует информацию из блока управления системы управления двигателем и блока управления автоматической коробкой переключения передач (АКПП).

Одновременно датчики угловой скорости измеряют перемещение ТС вокруг вертикальной оси и его боковое ускорение. Если значения расходятся, система без какого-либо вмешательства со стороны водителя немедленно реагирует на ситуацию, снижая мощность двигателя и восстанавливая стабильность автомобиля. Если этого недостаточно, ESP дополнительно подтормаживает каждое колесо. Возникающее вращательное движение колеса противодействует заносу, и автомобиль остается на безопасной траектории движения.

Оцениваются сигналы от датчика угла поворота рулевого колеса 16, датчика давления в тормозной системе 3 и от ЭБУ работой двигателя 5. Помимо скорости движения автомобиля, в вычисления также входят необходимые характеристики коэффициентов сцепления между шинами и дорожным покрытием. Эти параметры оцениваются на основе сигналов, получаемых от датчиков частоты вращения колес 1, 2, 12, 13, датчика бокового ускорения 19, датчика рысканья 18 и датчика давления в тормозной системе 3. Датчик бокового ускорения сообщает БУ о боковом сносе автомобиля, в то время как датчик рысканья сигнализирует о склонности к заносу. Затем вычисляется момент относительно вертикальной оси, который необходим для приближенного приведения параметров действительного состояния к параметрам требуемого состояния.

Стабилизация движения автомобиля с помощью системы ESP достигается:

• подтормаживанием определенных колес;
• изменением крутящего момента двигателя;
• изменением угла поворота передних колес (при наличии системы активного рулевого управления);
• изменением степени демпфирования амортизаторов (при наличии адаптивной подвески).

Информация, поступающая от датчиков, анализируется модулем управления для расчета направления движения, задаваемого рулевым управлением, и распознавания поведения автомобиля. Система ESP определяет, какое колесо должно быть ускорено или подторможено и насколько резко необходимо изменить крутящий момент двигателя, а также необходимость активизации блока управления коробкой передач (на моделях с АКПП).

Цикл управления завершается при успешном результате, и система управления переходит к слежению за поведением автомобиля. Если устойчивость движения не восстановлена, то цикл управления повторяется. Активация цикла управления сопровождается миганием контрольной лампы системы курсовой устойчивости.

Для работы системы динамической стабилизации используется гидравлический блок системы ABS.

Определение наступления аварийной ситуации осуществляется путем сравнения действий водителя и параметров движения автомобиля. В случае если действия водителя (желаемые параметры движения) отличаются от фактических параметров движения автомобиля, включается система ESP.

Притормаживание колес система осуществляет через гидромодулятор ABS, создающий давление в тормозной системе. Принцип алгоритма подтормаживания аналогичен описанному. Одновременно (или до этого) на БУ двигателем поступает команда на сокращение подачи топлива и, следовательно, уменьшение крутящего момента на колесах.

ESP выбирает тормозные усилия для каждого колеса отдельно таким образом, чтобы результирующая тормозных сил противодействовала моменту, стремящемуся развернуть автомобиль вокруг вертикальной оси, и удерживала ТС на оптимальной траектории. Если автомобиль плохо входит в поворот и скользит передними колесами наружу (недостаточная поворачиваемость) (рис. 2, а), ESP притормаживает внутреннее заднее колесо. Если автомобиль в результате заноса задней части пытается повернуть круче, чем необходимо (избыточная поворачиваемость) (рис. 2, б), ESP исправляет ошибку притормаживанием наружного переднего колеса. Чтобы предотвратить занос заднеприводного автомобиля, ESP уменьшает частоту вращения коленчатого вала двигателя. Благодаря этому возникает стабилизирующий момент сил, возвращающий автомобиль на безопасную траекторию движения.

При угрозе опрокидывания ТС стабилизируется за счет уменьшения поперечного ускорения, которое достигается достаточно сильным притормаживанием передних колес и одновременным снижением крутящего момента двигателя.

Рис. 2. Траектория движения на повороте с ESP (сплошная линия) и без ESP (прерывистая линия): а — недостаточная поворачиваемость; б — избыточная поворачиваемость

Изменение крутящего момента двигателя в системе ESP может осуществляться:

• изменением положения дроссельной заслонки;
• пропуском впрыска топлива;
• пропуском импульсов зажигания;
• изменением угла опережения зажигания;
• отменой переключения передачи в АКПП;
• перераспределением крутящего момента между осями (при наличии полного привода).

Блок управления ESP взаимодействует также с системой управления двигателем и АКПП (через соответствующие БУ). Помимо приема сигналов от этих систем, БУ формирует управляющие воздействия на элементы системы управления двигателем и АКПП.

2. Дополнительные системы курсовой устойчивости автомобиля

В конструкции системы курсовой устойчивости могут быть реализованы следующие дополнительные функции (подсистемы): система стабилизации торможения при повороте, система распределения крутящего момента, система курсовой устойчивости прицепа, система предотвращения опрокидывания, система предотвращения столкновения, система повышения эффективности тормозов при нагреве, система удаления влаги с тормозных дисков и др. Наиболее важные и часто применяемые системы рассмотрены в данном пункте (остальные в 5.7).

Все перечисленные системы, в основном, не имеют своих конструктивных элементов, а являются программным расширением системы ESP.

Система стабилизации торможения при повороте (Corner Brake Control, CBC). Возникающие при торможении в повороте опасные ситуации могут проявиться в избыточной или недостаточной поворачиваемости и привести к заносу автомобиля. Это объясняется тем, что при торможении в повороте скорость поворота автомобиля (рысканье) может доходить до такой величины, что будут происходить описанные выше явления. Для корректировки проявлений такого рысканья функция CBC управляет тормозными давлениями таким образом, чтобы создать корректирующий разворачивающий «противомомент». Так CBC повышает курсовую устойчивость автомобиля при торможении в повороте.

При экстренном торможении в повороте автомобиля без системы CBC возможность передних колес воспринимать поперечные (управляющие) усилия сильно сокращается. Автомобиль смещается с заносом передней оси к внешнему краю поворота. В автомобилях с CBC при появлении недостаточной поворачиваемости система уменьшает тормозное давление для передних колес. В результате колеса вновь оказываются в состоянии воспринимать управляющие усилия и автомобиль сохраняет заданное направление движения.

Для работы CBC не требуются дополнительные узлы или компоненты, она использует уже имеющиеся устройства системы ABS, т.е. CBC является только программным расширением системы ABS. Особенность CBC заключается в том, что она способна распознавать опасные ситуации при торможении в повороте без датчиков поворота или бокового ускорения, только на основании данных об угловой скорости вращения колес. При обнаружении проскальзывания колес, которого еще недостаточно для включения ABS, срабатывает CBC. При дальнейшем анализе этих данных блок управления ABS может распознать появление недостаточной или избыточной поворачиваемости и соответствующим образом откорректировать тормозные давления. Как и при обычной работе ABS, регулирование давления происходит по трем фазам: «удержание давления», «сброс давления» и «увеличение давления». В результате автомобиль стабилизируется и его управляемость сохраняется. Притормаживание колес система осуществляет через гидромодулятор ABS, создающий давление в тормозной системе (см. рис. 14).

Системы распределения крутящего момента. Такие системы подразделяются на электронную блокировку дифференциала EDS (Elektronische Differenzialsperre) и систему активного распределения крутящего момента ATTS (Active Torque Transfer System).

При повороте ТС на его колеса действуют две главные силы — тяговая, ускоряющая автомобиль, и боковая, которая заставляет автомобиль поворачивать. Они связаны с силой трения, возникающей в зоне контакта. Сила трения, в свою очередь, ограничена лимитированными сцепными свойствами шины и покрытия.

Рассмотрим распределение сил на колесах при повороте автомобиля (рис. 3).

Рис. 3. Распределение сил на колесах автомобиля при повороте: а — обычного автомобиля; б — автомобиля с системой активного распределения крутящего момента

При повороте из-за действия центробежной силы внутреннее колесо оказывается разгруженным, т.е. оно находится в худших условиях по сцеплению с дорогой. Соответственно уменьшится и та суммарная сила, сложенная из тяговой и боковой, которую может воспринять колесо, и поэтому оно в меньшей степени будет способно ускорять и поворачивать автомобиль. Система ATTS перераспределяет крутящий момент между ведущими колесами, убирая излишек тяговой силы с внутреннего колеса и перебрасывая его на более нагруженное внешнее. В результате у малонагруженной внутренней шины, освобожденной от излишка тяги, появляется больше возможностей для реализации боковой силы, так необходимой в повороте.

Увеличение крутящего момента на наружном колесе позволяет создать дополнительный момент, который стремится «затащить» автомобиль в поворот.

Электронная блокировка дифференциала EDS предназначена для предотвращения пробуксовки ведущих колес при трогании автомобиля с места, разгоне на скользкой дороге, движении по прямой и в поворотах за счет подтормаживания ведущих колес. Система получила свое название по аналогии с соответствующей функцией дифференциала.

EDS срабатывает при проскальзывании одного из ведущих колес и подтормаживает прокручивающееся колесо, за счет чего на нем увеличивается крутящий момент. Так как ведущие колеса соединены симметричным дифференциалом, на другом колесе (с лучшим сцеплением) крутящий момент также увеличивается.

Система EDS построена на основе антиблокировочной системы тормозов. В отличие от системы ABS, в конструкции EDS предусмотрена возможность самостоятельного создания давления в тормозной системе. Для реализации данной функции используется насос обратной подачи и два электромагнитных клапана (на каждое из ведущих колес), включенные в гидравлический блок ABS. Это переключающий клапан и клапан высокого давления.

Управление системой осуществляется с помощью соответствующего программного обеспечения в блоке управления ABS. Электронная блокировка дифференциала, как правило, является составной частью антипробуксовочной системы и работает в диапазоне скоростей от 0 до 80 км/ч.

Работа EDS носит цикличный характер. Цикл работы системы включает три фазы:

• увеличение давления;
• удержание давления;
• сброс давления.

Пробуксовка ведущего колеса определяется на основании сравнения сигналов, поступающих от датчиков частоты вращения колес. При этом блок управления закрывает переключающий клапан и открывает клапан высокого давления. Для создания давления в контуре тормозного цилиндра ведущего колеса включается насос обратной подачи. Происходит увеличение давления тормозной жидкости в контуре и торможение ведущего колеса.

Притормаживание колес система осуществляет через гидромодулятор ABS, создающий давление в тормозной системе (см. рис. 14).

При достижении тормозного усилия необходимой для предотвращения пробуксовки величины производится сохранение давления на прежнем уровне. Это достигается отключением насоса обратной подачи.

По окончании пробуксовки производится сброс давления. При этом впускной и переключающий клапаны в контуре тормозного цилиндра ведущего колеса открыты.

При необходимости цикл работы системы EDS повторяется. Аналогичный принцип действия имеет система ETS (Electronic Traction System) от Mercedes.

Система активного распределения крутящего момента ATTS также служит для улучшения управляемости и применяется в полноприводных ТС. В качестве примера рассмотрим системы активного распределения крутящего момента автомобилей Honda и Mitsubishi.

Система электронного управления (рис. 4) включает в себя датчики угла поворота, бокового и углового ускорения, скорости вращения колес, частоты вращения коленчатого вала двигателя и давления воздуха на впуске, передаточного отношения в трансмиссии.

Рис. 4. Схема трансмиссии полноприводного автомобиля Mitsubishi Lancer Evolution VIII: 1 — коробка передач; 2 — двигатель; 3 — муфта блокировки межосевого дифференциала; 4 — БУ дифференциалами; 5 — датчик угла поворота рулевого колеса; 6 — датчик положения дроссельной заслонки; 7 — колесные датчики ABS; 8 — датчики продольного ускорения; 9 — датчики поперечного ускорения; 10 — задний активный дифференциал; 11 — гидронасос с гидроаккумулятором; 12 — лампа стоп-сигнала; 13 — датчик включения стояночного тормоза; 14 — индикатор переключения режимов: асфальт/гравий/снег; 15 — блок управления ABS; 16 — передний дифференциал; 17 — межосевой дифференциал (50:50)

Информация от всех датчиков поступает в ЭБУ, который рассчитывает оптимальное распределение крутящего момента по колесам.

Далее ЭБУ передает информацию в БУ дифференциалом для распределения момента между осями и задними колесами в соответствии с условиями движения. На нужную ось он перераспределяет от 30 до 70 % момента, на одно из задних колес — от 0 до 100 %. В обычных условиях до 70 % крутящего момента передается на передние колеса. При больших ускорениях до 70 % крутящего момента поступает на заднюю ось для улучшения динамики разгона и одновременной стабилизации движения. При ускорении в повороте почти 100 % крутящего момента может передаваться на заднее внешнее колесо (рис. 5). Диаметрально противоположная картина возникает при снижении скорости на изгибе дороги — крутящий момент будет передаваться на внутреннее колесо.

Рис. 5. Траектория движения автомобиля с электронным приводом управляемых колес: 1 — наибольший крутящий момент; 2 — траектория движения автомобиля с электронным приводом управляемых колес; 3 — траектория движения автомобиля без электронного привода управляемых колес

Существуют различия в приводе дисков сцеплений приводов колес. Компания Mitsubishi в своих конструкциях применяет электрогидравлический привод, а компания Honda — электромагнитный.

В дифференциале автомобилей Honda применяются электромагнитные многодисковые сцепления 4 (рис. 6). Каждое сцепление индивидуально передает крутящий момент к одному из задних колес, правому или левому. Встроенные электромагнитные соленоиды 3 изменяют положение сердечника магнита относительно его корпуса. Блок управления дифференциалом, в зависимости от условий движения, определяет, какой ток подать на магнит, тем самым сжимая пакеты дисков и плавно меняя распределение крутящего момента. Оба сцепления способны работать независимо друг от друга.

Рис. 6. Привод задних колес с электромагнитным сцеплением: 1 — ведущая шестерня гипоидной передачи; 2 — планетарная передача; 3 — соленоид; 4 — многодисковые сцепления

Модули сцепления дополнены собственными планетарными передачами 2.

Вместе с дифференциалом работает ускорительный модуль с гидравлическим приводом (на рисунке не показан), включающий планетарную передачу и передающий крутящий момент на ведущую шестерню 1 гипоидной передачи. Этот модуль позволяет сделать более надежным поведение автомобиля в крутых поворотах. Он принудительно «подкручивает» задние колеса в виражах. В повороте траектория движения внешнего заднего колеса смещается наружу относительно траектории передних колес. При традиционной схеме трансмиссии заднее внешнее колесо вращается медленнее передних и тем самым препятствует полноценной передаче мощности, в результате ухудшается управляемость и появляется риск заноса. Эту проблему решает ускорительный блок.

Во время движения по прямой шестерни планетарной передачи вращаются синхронно с карданным валом — скорость передних и задних колес одинакова. При входе автомобиля в поворот гидравлический привод посредством еще одного модуля сцепления включает планетарную передачу ускорительного модуля в работу, при этом заднее колесо с нужной стороны «подкручивается» до оптимальной скорости.

Блок управления, воспринимая сигналы датчиков, может определять стиль вождения. Когда автомобиль едет прямо, фрикционы разомкнуты и планетарные шестерни системы вращаются вхолостую, дифференциал поровну распределяет идущий от двигателя крутящий момент между ведущими колесами.

Если водитель вводит автомобиль в поворот, держа ногу на педали акселератора, реакция электронной системы управления будет отличаться от ситуации, когда автомобиль описывает дугу по инерции или при торможении. Один из фрикционов с помощью исполнительного устройства частично или полностью блокируется, и крутящий момент на колесах изменяется, что позволяет перераспределить его до 80 % с противоположного колеса.

При резком трогании с места у полноприводных автомобилей возникает дефицит крутящего момента на колесах задней оси и избыток — на передней. Чтобы этого не происходило, система оборудована датчиком ускорения, фиксирующим момент, когда необходимо перебросить энергию к задней оси. При спокойном режиме движения больший момент передается на передние колеса, способствуя более стабильному поведению автомобиля.

Система курсовой устойчивости прицепа. Автомобилю с прицепом проще попасть в критическую с точки зрения курсовой устойчивости ситуацию. Даже опытному водителю не всегда бывает легко вернуть контроль над автопоездом, у которого началась раскачка.

Боковой ветер, продавленные колеи, быстрые движения рулем при объезде препятствий или слишком высокая скорость могут привести прицеп автопоезда к поперечной раскачке, особенно при движении на спуске. Раскачка прицепа передается и буксирующему автомобилю (рис. 7).

Рис. 7. Схема движения автомобиля с прицепом: а — с раскачкой; б — без раскачки

В зависимости от интенсивности раскачки и массы прицепа на буксирующем автомобиле могут проявляться рысканье и поперечное ускорение, которые повлияют на движение прицепа. Взаимное раскачивание прицепа и буксирующего автомобиля может приобрести такие размеры, что весь автопоезд полностью утратит курсовую стабильность.

Для стабилизации прицепа система ESP дополняется программным расширением, которое уменьшает опасность возникновения такой критической ситуации. Прежде всего система стабилизирует автопоезд попеременным подтормаживанием колес автомобиля. Если этого оказывается недостаточно, то система для стабилизации ситуации начинает торможение всех колес автомобиля, а также, через тормоз наката, колес прицепа.

Функция стабилизации автопоезда не требует для своей реализации дополнительных датчиков и является просто программным расширением системы ESP. Она использует для своей работы только узлы и компоненты ESP.

Поперечные ускорения и рысканья буксирующего автомобиля улавливаются датчиками системы ESP, и информация о них передается в блок управления ABS/ESP. Полученные входные значения (частота вращения колес, рысканье, поперечное ускорение, угол поворота рулевого колеса, нажатие педали тормоза) сравниваются с сохраненной в БУ стандартной характеристикой.

При превышении определенных граничных значений включается функция стабилизации автопоезда. Для лучшего гашения возникающих колебаний и компенсации рысканья передние колеса автомобиля попеременно подтормаживаются. Таким образом ESP препятствует возникновению резонанса и увеличению амплитуды колебаний или блокированию оси автомобиля либо прицепа. Если этого оказывается недостаточно, все четыре колеса подтормаживаются путем создания давления в их тормозных контурах до тех пор, пока раскачка прицепа не прекратится.

Во время выполнения коррекции с помощью тормозов загораются лампы стоп-сигналов, чтобы предупредить следующих сзади участников движения. Водителя в это время предупреждает загорающаяся контрольная лампа ESP.

Функция стабилизации автопоезда срабатывает при следующих условиях:

• ESP активирована и необходимое ее программное обеспечение разблокировано;
• автопоезд двигается со скоростью, превышающей определенное минимальное значение;
• на некоторых моделях автомобилей блок управления ABS/ESP распознает наличие буксируемого прицепа по подключенной розетке.

Информацию о наличии прицепа ESP получает по шине данных CAN от БУ распознавания прицепа. При выполнении этих условий в блоке управления ABS/ESP активируется соответствующая программа стабилизации автопоезда.

3. Датчики системы курсовой устойчивости автомобиля

Кроме датчиков, применяемых в системе ABS, в интегрированной системе управления динамикой автомобиля, т.е. системе, объединяющей систему курсовой устойчивости, рулевое управление и подвеску, применяют датчик угла поворота рулевого колеса, датчик бокового ускорения, датчик рысканья (угловой скорости).

Датчик угла поворота рулевого колеса (рис. 8).

Рис. 8. Датчик угла поворота рулевого колеса: 1 — предохранительное кольцо с часовой пружиной для подушки безопасности

Является одним из датчиков положения, которые широко используются в электронных системах автомобиля, таких как:

• система курсовой устойчивости;
• адаптивный круиз-контроль;
• система помощи движению по полосе;
• электрогидравлический усилитель рулевого управления (ЭГУР);
• электромеханический усилитель рулевого управления (ЭУР);
• система активного рулевого управления (Active Front Steering, AFS);
• система адаптивного освещения;
• активная подвеска.

В отличие от других датчиков, датчик угла поворота рулевого колеса определяет угловое перемещение в широком диапазоне (свыше 720° в каждую сторону или четыре полных оборота рулевого колеса). Датчик устанавливается на рулевой колонке между переключателем и рулевым колесом, реже — на рулевом механизме. При включении зажигания датчик активизируется при первом повороте рулевого колеса на 4,5°, что соответствует перемещению по окружности рулевого колеса на 1,5 см.

Датчик угла поворота рулевого колеса служит для определения угла поворота (относительного угла), направления поворота (абсолютного угла) и угловой скорости рулевого колеса. Перечень функций определяется потребностями конкретной системы автомобиля. Таким образом, с помощью датчика угла поворота рулевого колеса определяется направление движения, которое задает водитель.

В качестве данного датчика используется несколько типовустройств, построенных на различных физических принципах измерений: потенциометрический, оптический и магниторезистивный.

Потенциометрический датчик относится к контактным датчикам (рис. 9) и включает два потенциометра, закрепленных на рулевой колонке. Один потенциометр смещен относительно другого на 90°, что позволяет определять относительный и абсолютный углы поворота рулевого колеса (направление вращения). Изменение сопротивления потенциометра пропорционально углу поворота рулевого колеса. Из-за невысокой надежности, связанной с наличием подвижных контактов, потенциометрические датчики в рулевом управлении в настоящее время почти не применяются.

Рис. 9. Потенциометрический датчик угла поворота рулевого колеса: 1 — опорное напряжение; 2, 3 — напряжение на первом и втором скользящих контактах; 4 — «масса»

Более совершенным сенсорным устройством является бесконтактный оптический датчик. Он объединяет кодирующий диск 2 (рис. 10), источники света (светодиод 6 и световод 1), светочувствительные элементы (строчная камера 5), блок определения полных оборотов вращения (плата с электронным блоком обработки 4).

Рис. 10. Оптический датчик угла поворота рулевого колеса: 1 — световод; 2 — кодирующий диск; 3 — рулевая колонка; 4 — плата с электронным блоком обработки; 5 — строчная камера; 6 — светодиод

Кодирующий диск 2 жестко закреплен на рулевой колонке, имеет два сегментарных кольца — внутреннее и наружное. На внутреннем кольце равномерно по окружности размещены прямоугольные отверстия, на наружном кольце отверстия расположены неравномерно. Конструкция внутреннего кольца позволяет определять величину угла поворота рулевого колеса. С помощью внешнего кольца оценивается направление вращения рулевого колеса в любой момент времени.

Через световод 1 светодиод 6 проецирует свет на кодирующий диск 2.

В зависимости от положения рулевого колеса через кодирующий диск на строчную камеру попадает больше или меньше света.

Строчная камера 5 регистрирует этот оптический сигнал и преобразует его в электрический. На основании импульсов напряжения ЭБУ рассчитывает угол и направление поворота рулевого колеса. Путь сигнала: светодиод — световод — кодирующий диск — строчная камера — аналоговый сигнал — электронный блок обработки данных.

Магниторезистивный датчик (рис. 11) является более универсальным, так как, помимо относительного и абсолютного угла поворота рулевого колеса, позволяет определять его угловую скорость. Конструктивно датчик включает два магниторезистивных элемента 2, закрепленных в корпусе датчика. Магниторезисторы взаимодействуют с двумя подвижными магнитами 7.

Рис. 11. Магниторезистивный датчик угла поворота рулевого колеса: 1 — рулевая колонка; 2 — элементы магниторезистивного датчика; 3 — измерительная шестерня с m зубьями; 4 — электронная плата; 5 — измерительная шестерня с m = 1 зубьями; 6 — ведущая шестерня; 7 — постоянные магниты

Основным элементом датчика является тонкопленочный гигантский (Giant Magnetoresistor, GMR) или анизотропный (Anisotropic Magnetoresistor, AMR) магниторезистор. Каждый из магнитов вращается посредством зубчатой передачи. Приводные зубчатые колеса имеют различное количество зубьев, отличающееся на единицу. Измерения построены на том, что для каждого положения рулевого колеса существует свое положение магнитов, которое фиксируют магниторезисторы. На основании этого ЭБУ определяет величину угла поворота, его направление и скорость.

Датчик бокового ускорения. Представляет собой элемент на печатной плате интегрированного датчика. Упрощенно можно представить конструкцию датчика как подвешенную в центре подвижную массу 4 с прикрепленной к ней пружинной пластинкой 5 (рис. 12).

Масса способна перемещаться в одном направлении в обе стороны. Две другие неподвижные пластинки конденсатора 3 и 7 окружают пластинки, соединенные с подвижной массой. Таким образом, получаются два последовательно соединенных конденсатора К₁ и К₂. Их емкости C₁ и C₂ можно измерить и сравнить на электродах.

Рис. 12. Датчик бокового ускорения: а — отсутствие ускорений; б — наличие ускорений; 1 — электрод; 2 — направление движения автомобиля; 3, 7 — неподвижные пластинки конденсатора; 4 — подвижная масса; 5 — пружинная пластинка; 6 — пластинка конденсатора на подвижной массе; К₁, К₂ — конденсаторы; С₁, С₂ — емкости конденсаторов

При отсутствии ускорения заряд конденсаторов одинаковый. Как только возникает поперечное ускорение, масса, в силу инерции, переместится относительно неподвижных пластинок в противоположном от ускорения направлении. Изменение расстояния между пластинками конденсаторов приводит к изменению их емкостей. В данном примере расстояние между пластинками конденсатора К₁ больше, чем между пластинками конденсатора К₂, поэтому емкость С₁ меньше. Емкость С₂ больше, так как расстояние между пластинками конденсатора К₂ меньше.

Датчик рысканья (угловой скорости). Располагается в дополнении к датчику бокового ускорения на печатной плате (рис. 13). Принцип работы датчика заключается в следующем. Колеблющаяся масса 6 подвешена в поле постоянного магнита между южным 2 и северным 4 полюсами. Печатные проводники 5 объединены с колеблющейся массой, которая фактически и является датчиком. Если приложить переменное напряжение U, то подвижная масса с печатными проводниками начнет колебаться в магнитном поле. При возникновении углового ускорения появится отклонение от прямолинейного колебательного движения, так как возникнет ускорение от силы Кориолиса.

Рис. 13. Датчик рысканья (угловой скорости): 1 — держатель; 2 — южный полюс; 3 — направление движения; 4 — северный полюс; 5 — печатные проводники; 6 — колеблющаяся масса; 7 — прямолинейное колебание под действием переменного напряжения; 8 — угловая скорость; 9 — ускорение в результате действия силы Кориолиса; а — прямолинейное движение; б — движение при угловых ускорениях