Исполнительные механизмы автомобиля

Исполнительные механизмы автомобиля

 

Исполнительные механизмы (конечные элементы управления) формируют связь между электрическим сигналом процессора и реальным воздействием. Они преобразуют маломощные сигналы, передающие инфор­мацию о расположении элементов исполне­ния в рабочие сигналы соответствующего для процесса управления энергетического уровня. Вот о том, какими бывают исполнительные механизмы автомобиля, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Конверторы сигнала объединены с элементами усилителя для того, чтобы ис­пользовать физические принципы преобра­зования, управляющие взаимосвязью между различными формами энергии (электрической-механической-жидкостной-тепловой).

Классификация исполнительных механизмов

 

Исполнительные механизмы классифицируются по типу преобразования энергии. Энергия, по­лучаемая от источника, преобразуется в энергию магнитного или электрического поля, или пре­вращается в тепло. Принцип получения воздей­ствующей силы, определяемый этими формами энергии, основан на использовании силовых полей или некоторых специфических характери­стик материалов.

Магнитострикционные материалы делают возможным разработать исполнительные механизмы для применения в диапазоне микроперемещений. К этой категории также относятся пьезоэлектрические исполнитель­ные механизмы, изготавливаемые по много­слойной технологии аналогично керамиче­ским конденсаторам, и используются для высокоскоростных топливных форсунок. Те­пловые исполнительные механизмы зависят исключительно от характеристик конкретных материалов.

Исполнительные механизмы в автомобиле в основном представляют собой электромагнитомеханические преобразователи и электрические сервоприводы, линейные и роторные электромагнитные исполнитель­ные механизмы. Исключением является пи­ротехническая система надувания подушек безопасности. Соленоидные исполнительные механизмы могут быть самостоятельными сервоэлементами или выполнять управляю­щие функции, направляя работу силового устройства, например, гидромеханического.

 

 

Электродинамические и электромагнитные преобразователи

 

Силы в магнитном поле

 

Различие между электродинамическим и элек­тромагнитным принципами действия исполни­тельного механизма вытекает из способа соз­дания сил в магнитном поле. Общей для обоих принципов является магнитная цепь, форми­руемая магнитомягким материалом и катушкой для возбуждения магнитного поля. Главное различие заложено в величине самой силы, создаваемой в устройстве при технически до­ступных условиях. В одинаковых условиях сила, создаваемая путем применения электро­магнитного принципа, оказывается больше в 40 раз. Электрическая постоянная времени для ис­полнительного механизма этого типа сравнима с механическими постоянными времени. Оба принципа создания сил применяются в меха­низмах линейного и роторного привода.

Электродинамический принцип

 

Электродинамический принцип основан на силе, действующей на подвижный заряд или проводник с током в магнитном поле (сила Лоренца, рис. а, «Электродинамические и электромагнитные преобразователи» ). Катушка или постоянный магнит генерируют постоянное магнитное поле. Электрическая энергия, предназначен­ная для получения силы, прикладывается к подвижной обмотке ротора (плунжер или иммерсионная катушка). Высокая точность исполнительного механизма достигается особенностью конструкции обмотки ротора, имеющей малую массу и низкую индуктив­ность. Два аккумулирующих элемента, один на закрепленном, другой на подвижном ком­поненте, вырабатывают силы, действующие в двух направлениях через реверсирование тока в обмотках якоря и возбуждения.

 

Электродинамические и электромагнитные преобразователи

 

Вторичное поле, создаваемое током якоря в разомкнутой магнитной цепи, размагничи­вает последнюю. Можно сказать, что сила (момент) электродинамического исполни­тельного механизма примерно пропорцио­нальна току и не зависит от перемещения.

Электромагнитный принцип

 

Электромагнитный принцип базируется на взаимном притяжении (рис. Ь, «Электродинамические и электромагнитные преобразователи» ) мягких ферромагнетиков в магнитном поле. Электромагнитные исполнительные механизмы оснащаются только одной ка­тушкой, создающей поле и потребляющей энергию, идущую на преобразование. Для по­вышения индуктивности катушка оснащена железным сердечником. Однако, поскольку сила пропорциональна квадрату магнитной индукции, устройство работает только в одном направлении, поэтому требуется воз­вратный элемент, пружину или магнит.

 

 

Динамическая характеристика электромеханического привода

 

Динамическая характеристика или отклик на включение электромеханического привода описывается дифференциальным уравне­нием для электрических схем и уравнениями Максвелла, по которым определяется зави­симость силы тока от перемещения.

Электрическая цепь, как правило, состоит из индуктора с активным сопротивлением. Од­ним из средств улучшения динамической ха­рактеристики является перевозбуждение ин­дуктора в момент активизации, в то время как уменьшение тока может быть ускорено стаби­литроном. В любом случае улучшение характе­ристики достигается за счет дополнительных расходов и потерь в электронных средствах запуска исполнительного механизма.

Диффузия поля является одним из сдер­живающих факторов, на который трудно вли­ять в приводах с высокими динамическими характеристиками. Операции быстрого пере­ключения сопровождаются высокочастотной пульсацией поля в магнитомягком материале магнитной цепи привода. Эти колебания, в свою очередь, наводят вихревые токи, нарас­тание и затухание магнитного поля. Резуль­тирующая задержка в нарастании и умень­шении сил может быть сокращена только выбором материала с низкой электрической проводимостью и проницаемостью.

Конструкции исполнительных механизмов

 

Выбор конструкции определяется условиями работы (например, требованиями к динами­ческой характеристике).

Электромагнитные исполнительные механизмы

 

Электромагнитный исполнительный ме­ханизм поступательного движения имеет соленоид (рис. «Втягивающий соленоид» ) с втягивающей силой, уменьшающейся пропорционально квадрату перемещения (рис. «Втягивающий соленоид (характеристики)» ). Форма кривой опре­деляется типом рабочего зазора (например, конического или иммерсионного якоря).

 

Втягивающий соленоид Втягивающий соленоид (характеристики)

 

Роторные электромагнитные исполнитель­ные механизмы характеризуются определен­ным расположением полюсов в статоре и ро­торе (например, роторный исполнительный механизм с одной обмоткой, рис. «Электромагнитный однообмоточный поворотный исполнительный механизм» ). Когда ток прикладывается к одной из катушек, то роторные и статорные полюсы притягива­ются и возникает крутящий момент.

 

 

Электродинамические исполнительные механизмы

 

Куполообразный магнит (исполнительный механизм с иммерсионной катушкой, рис. «Электродинамический привод с иммерсионной катушкой» ) функционирует, когда цилиндрическая иммерсионная катушка (обмотка якоря) движется в заданном рабочем зазоре.

 

Электромагнитный однообмоточный поворотный исполнительный механизм Электродинамический привод с иммерсионной катушкой

 

Диапазон перемещения определяется осевым размером обмотки якоря и рабочим зазором.

Применение исполнительных механизмов

 

Электромеханические исполнительные меха­низмы являются элементами непосредствен­ного управления. Они служат для превраще­ния электрического сигнала в механическое перемещение или работу без какого-либо промежуточного устройства преобразования. Типичное применение — перемещение засло­нок, катушек и клапанов. Описываемые при­воды не обладают способностью к самовозврату, так как не имеют устойчивой рабочей точки. Они способны выполнять только позицион­ные операции из постоянного исходного по­ложения (рабочая точка), в том случае, если приложена противодействующая сила, на­пример, возвратная пружина.

Электромагнитный сердечник обеспечи­вает устойчивую статическую рабочую точку, когда его кривая «сила-ход» накладывается на характеристическую реакцию возвратной пружины. Изменение тока катушки в электро­магнитном клапане смещает рабочую точку. Простое позиционирование достигается пу­тем управления током. Однако здесь особое внимание необходимо уделить нелинейности характеристики «сила-ток» и чувствительно­сти системы позиционирования к помехам, например, механическому трению, пневма­тическим и гидравлическим силам. Темпе­ратурная чувствительность сопротивления катушки приводит к погрешностям позицио­нирования, что делает необходимым коррек­тирующее управление током. Высокоточная система позиционирования с хорошей дина­мической реакцией должна иметь датчик положения и контроллер.

Пьезоэлектрические исполнительные механизмы

 

Принцип действия пьезоэлектрических ис­полнительных механизмов, основан на пря­мом пьезоэлектрическом эффекте, откры­том в 1880 году братьями Кюри на кристаллах турмалина — преобразовании механической деформации кристалла в напряжение на по­верхности кристалла, прямо пропорциональ­ное этой деформации.

Процесс поляризацииОбратный пьезоэлектрический эффект на­зывается непрямым пьезоэлектрическим эф­фектом. При подаче напряжения на пьезоэ­лектрический материал происходит быстрая направленная деформация (отклонение) ма­териала на несколько мкм, что можно исполь­зовать в качестве активирующего движения.

Необходимым условием для реализации пьезоэлектрического эффекта являются электрические диполи в базисных клетках материала, которые в результате процессов взаимодействия образуют более крупные соединенные области той же ориентации, по аналогии с магнетизмом называемые доме­нами (рис. а, «Процесс поляризации» ). Когда в привилегированном направлении действует магнитное поле, пре­обладающая доля этих доменов может быть выстроена в направлении поля, где элек­трические диполи в доменах одновременно удлиняются (расширение кристаллической решетки, рис. Ь, «Процесс поляризации» ). Там материал демонстри­рует макроскопическую линейную деформа­цию в процессе поляризации.

Даже после деактивации поля и соответству­ющего восстановления диполей, домены оста­ются в этом выстроенном (поляризованном) состоянии (рис. с, «Процесс поляризации» ), так что пьезоэлектриче­ский материал может снова и снова обратимо расширяться в привилегированном направле­нии при воздействии магнитного поля.

 

 

Пьезоэлектрические материалы

 

Пьезоэлектрические материалы — это под­категория диэлектриков; иными словами, они являются электрически непроводящими, неметаллическими материалами без свобод­ных мобильных носителей заряда. Наряду с первыми изученными пьезоэлектрическими монокристаллами, такими как турмалин и кварц, стало известно большое количество поликристаллических пьезоэлектрических ма­териалов, включая множество керамических.

В силу небольшой удельной линейной де­формации пьезоэлектрических кристаллов, для технического применения пьезоэлектри­ческого эффекта годятся лишь материалы, которые особенно эффективно преобразуют электрическую энергию в механическую. Это свойство можно описать коэффициентом соединения к- отношением механической энергии в пьезоэлементе к общей энергии (0 < k < 1).

Особую важность для пьезоэлементов представляют керамика PZT (цирконат — титанат свинца) на основе оксидной системы со смешанными кристаллами цирконата- титаната свинца с большим коэффициентом соединения благодаря специфической кор­ректировке соотношения Ti и Zr и использо­вание подходящих диффузантов.

Конструкция пьезоэлемента

 

В основе пьезоэлемента лежит поляризован­ное пьезоэлектрическое твердое тело, в кото­ром может создаваться электрическое поле, необходимое для растяжения пьезоэлемента посредством внешнего контактирования. Для достижения технически приемлемого откло­нения этого объемного пьезоэлемента (рис. а, «Конструкция пьезоэлементов» ), как правило, требуется большая тол­щина материала и очень высокое напряжение активации — десятки киловольт.

Конструкция пьезоэлементовВ многослойном пьезоэлементе (рис. Ь, «Конструкция пьезоэлементов» ) пьезоэлектрическое твердое тело де­лится на много параллельно соединенных активных слоев с внутренними электродами, поочередно выводимыми на положительные и отрицательные внешние электроды. Это значительно уменьшает необходимое акти­вационное напряжение при практически том же отклонении всей комбинации. Таким об­разом, многослойные пьезоэлементы могут работать там, где важна безопасность, при умеренном уровне напряжения (U <200 В) — например, в системах впрыска топлива.

Из-за своей чувствительности к механи­ческому перенапряжению и вредным воз­действиям окружающей среды (например, токопроводящая или едкая среда), керамиче­ские пьезоэлементы часто устанавливаются в корпусе с определенным начальным меха­ническим напряжением. Это предотвращает любые растягивающие напряжения пьезо­керамической структуры и нежелательные взаимодействия со средами даже во время динамической работы исполнительного органа.

Энергетическая способность пьезоэлементов

 

Как и все электромеханические исполнитель­ные органы, пьезоэлемент также является конвертером — преобразует подаваемую на него электрическую энергию в механическую и таким образом обеспечивает энергию, не­обходимую для сервоперемещения. Эффек­тивная энергетическая способность зависит от КПД исполнительного механизма, т.е. от величины электрических и механических по­терь, возникших в процессе преобразования энергии.

Кривая силы и хода пьезоэлементаВ зависимости от области применения рабочая точка пьезоэлемента может нахо­диться между максимальной блокирующей силой и максимальной растягивающей спо­собностью (холостой ход). Основная связь здесь в том, что максимальная коммутирую­щая сила, которая может быть передана пье­зоэлементом в этой рабочей точке зависит от его допустимого отклонения в этой точке в системе. Это поведение описывает кривая силы/хода пьезоэлемента (рис. «Кривая силы и хода пьезоэлемента» ). Из-за про­порциональности между напряжением акти­вации и отклонением пьезоэлемента, а также его силы, эта кривая является прямой функ­цией напряжения активации. Максимальные значения силы и хода, которые могут быть достигнуты путем их увеличения, ограничены удельной электрической прочностью исполь­зуемого материала.

Если для конкретной области применения требуется большее усилие пьезоэлемента, то его можно достичь без изменения пьезоэлек­трического материала на основании того факта, что активное поперечное сечение пье­зоэлемента увеличивается под влиянием электрического поля. С другой стороны, для увеличения хода пьезоэлемента требуется увеличить количество активных слоев в нем. Таким образом, для проектирования много­слойного пьезоэлемента под конкретную об­ласть применения основными параметрами являются активное поперечное сечение и ко­личество активных слоев пьезоэлемента.

 

 

Гидромеханические исполнительные механизмы

 

Используют сходные принципы по преобра­зованию и регулированию энергии. Главным различием является используемая среда. Гидравлические исполнительные механизмы работают с практически несжимаемыми жидкостями, обычно маслом, под давлением порядка 30 МПа. В дизельных системах впры­ска давление достигает 200 МПа. Пневмати­ческие исполнительные механизмы работают со сжимаемыми газами, обычно воздухом, под давлением порядка 1 МПа. Давление у вакуумных исполнительных механизмов составляет порядка 0,05 МПа.

Системы чаще всего строятся на принци­пах гидростатитических преобразователей энергии. Они выполняют перемещения, пре­образуя энергию давления жидкой среды в механическую работу и наоборот.

В противоположность им, гидродинамиче­ские преобразователи работают по принципу преобразования энергии потока (кинетиче­ской энергии движущейся жидкости) в ме­ханическую работу (пример: гидродинамиче­ская муфта).

Потери во время работы являются след­ствием утечек и трения. Жидкостно-тепловые потери вызываются гидродинамическим со­противлением, при котором действие дрос­селя (шайбы, сужающей поток) преобразует гидравлическую энергию в тепло. Часть тепла рассеивается в окружающей среде, а некоторая его часть поглощается и уносится рабочей жидкостью. Это можно описать вы­ражением:

Qheat = Q1p1 — Q2p2

В случае с несжимаемыми жидкостями:

Qheat = Q1 (p1 p2)

Турбулентность возникает там, где жид­кость протекает через участки ограничений для движения потока (например, через дроссели). Скорость потока среды тогда не зависит в значительной мере от вязкости. С другой стороны, вязкость не играет той роли, как при ламинарном течении в узких трубках и отверстиях.

Гидромеханические усилители (рис. «Гидромеханические исполнительные механизмы» ) управляют преобразованием энергии из жидкого в механическое состояние. Регу­лирующий механизм должен конструиро­ваться для управления только относительно малым потоком энергии, необходимым для окончательного позиционирования клапа­нов.

 

Гидромеханические исполнительные механизмы

 

С помощью переключающих клапанов от­крывается (закрывается) отверстие, управ­ляющее потоком к (от) гидромеханического преобразователя энергии (рис. «Регулирование энергии с помощью 2/2 — ходовых клапанов» ). При достаточном открытии отверстия дроссель­ные потери остаются незначительными. Для получения возможности непрерывного управления гидромеханизмом с фактиче­ским отсутствием потерь может использо­ваться модулированная продолжительность импульса открытия и закрытия. Однако в действительности флуктуации давления и механический контакт между компонен­тами клапана создают нежелательные шум и вибрацию.

В следующей статье я расскажу о жгутах проводов в автомобиле.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *