Электродвигатели нашли широкое распространение в самых разных отраслях техники, и в этой статье мы обсудим их применение в автомобилестроении. Так как в предыдущей статье мы уже рассказывали о приводах в робототехнике, то пропустим этап производства и сразу перейдём к применению электродвигателей в автомобилестроении.
Читать о приводах в робототехнике и медицине
Применение электродвигателей и сервоприводов в автомобилестроении
Современный автомобиль уже не обходится без тягового электродвигателя или тяговых мотор-колёс, обеспечивающих движение транспортного средства, но их мы рассмотрим лишь по касательной. В данной статье речь пойдёт об электродвигателях и сервоприводах, которые располагаются в разных узлах и системах автомобиля. В большинстве современных автомобилей расположены 10 приводных узлов, которые в том числе оснащены высокоточными датчиками обратной связи и современной управляющей электроникой.
Двигатели в бензонасосах высокого давления
Самый главный агрегат, без которого немыслимо движение автомобиля с ДВС – бензонасос высокого давления. Бензонасос представляет собой электрическую помпу, которая способна создавать давление до 200 бар. Основным исполнительным механизмом данной помпы является плоский многополюсный высокооборотный бесколлекторный двигатель. Скорость вращения двигателя зависит от нажатия на педаль газа. Высокооборотные двигатели Assun Motor, поставляемые компанией ИНЕЛСО, могут работать в агрессивной среде бензонасоса.
Моторы в компрессорах и турбинах двигателей
Далее мы можем рассмотреть работу компрессора и турбины, так называемый «турбонадув» - это также моторизованный элемент двигателя, где применяется высокооборотный мотор. Данная система нужна для увеличения мощности и динамики малолитражных двигателей. Главная задача турбонагнетателя - подавать воздух высокого давления и отводить выхлопные газы. Автомобиль может иметь две турбины - для низких оборотов и для высоких, чтобы сохранять динамику во всём диапазоне оборотов.
Электродвигатель в АБС
Другая система, существующая в современных автомобилях – это система АБС (антиблокировочная система, англ. Anti-lock braking system, ABS), позволяющая сохранять управление машиной в случае резкого торможения. В данной системе электродвигатель обеспечивает корректную циркуляцию тормозной жидкости. Электрический двигатель работает как насос, создавая давление жидкости во время работы насоса и убирая давление, когда оно не требуется. Таким образом происходит движение тормозных колодок. При работе АБС число ударов тормозных колодок о тормозной диск доходит до 180 в минуту. Главным требованием к двигателям в системе АБС является их быстрый разгон, в связи с чем в данной системе применяются в основном высокодинамичные двигатели.
Электродвигатели в электроусилителе рулевого управления
В настоящее время, электродвигатели также применяются в рулевой рейке: раньше это была гидравлическая система, передающая усилие с рулевого колеса на кулаки передних колёс, что обеспечивало поворот транспортного средства в нужную сторону, пример такой системы показан на рисунке 1.
Но у данной системы есть существенные недостатки: сложность и громоздкость, поскольку необходимо протягивать рейку от руля до оси вращения передних колёс, поэтому в настоящее время всё чаще применяют электрические рулевые рейки (или как её ещё называют – электроусилитель рулевого управления, ЭУР, англ. Electric Power Steering, EPS), её структурная схема показана на рисунке 2.
Принцип работы данной системы основан на установке датчиков положения (энкодеров) на руле и на оси колёс. Датчики угла вращения производства Fenac Technology могут отлично справиться с данной задачей. При повороте руля водителем, датчик фиксирует изменения угла положения и передаёт этот сигнал на общий блок управления. С блока управления сигнал передаётся на сервопривод, который приводит в действие механическую передачу шестерня – рейка, изменяющую положение оси колёс. Изменение угла наклона оси также фиксируется датчиком, сигнал с которого поступает также в контроллер, то есть данная система является замкнутой (англ. Closed-loop control system).
Данный вид рулевой рейки обладает рядом неоспоримых преимуществ перед своим гидравлическим предшественником: она значительно тише, её проще обслуживать, и её работа более плавная. К недостаткам относятся более высокая стоимость и невозможность использования на тяжёлых транспортных средствах из-за малой мощности. На рисунке 3 более наглядно показаны механические передачи ЭУР.
В данной системе электродвигатель может передавать усилие либо на вал рулевого колеса, либо на рулевую рейку. В первом случае двигатель встроен в рулевую колонку, и передача усилия на вал осуществляется с помощью механической передачи. Но большую популярность приобрёл второй вариант, который также получил название электромеханического усилителя рулевого управления (ЭМУР).
Для применения в данном узле подойдут высокомоментные двигатели от производителя Assun Motor.
Электродвигатели в системе контроля полосы
Электродвигатель может устанавливаться непосредственно в руль, если автомобиль оснащён системами автоматизации, например, функциями сохранения полосы или автопарковкой. Как правило, в такую систему входит видеокамера, захватывающая изображение перед автомобилем и оцифровывающая его, инфракрасные датчики для обработки изображения в тёмное время суток (в некоторых случаях присутствуют также лазерные датчики), общий блок управления, подрулевой переключатель для информирования системы об изменении полосы движения, а также исполнительные механизмы, к которым, в зависимости от типа системы, могут относиться системы оповещения (вибромотор в руле, контрольная лампа и др.) или системы корректировки траектории (электродвигатель).
Системы контроля полосы делятся на две основных группы
- LKS (Lane Keeping System – система сохранения полосы) – данный вид систем способен вернуть автомобиль в нужную полосу независимо от водителя, если он не реагирует на сигналы и предупреждения.
- LDS (Lane Departure System – система покидания полосы) – данная система только уведомляет о выезде транспортного средства из полосы движения.
Система контроля полосы работает следующим образом
Датчики получают данные о дорожной разметке в режиме реального времени, после чего эти данные поступают в блок управления, где обрабатываются для дальнейшего использования. Если автомобиль начнёт отклоняться от выбранной полосы (самопроизвольно или водитель не включит перед перестроением сигнал поворота), то программа сочтёт это отклонением. Как правило, после этого следует предупреждающий сигнал, например, звуковой или вибрационный. На данном этапе работа системы LDS заканчивается. Однако, если в автомобиле установлена система LKS, и водитель не реагирует на сигналы системы, то с контроллера поступает сигнал на электродвигатель, поворачивающий руль на угол, необходимый для выравнивания транспортного средства. Здесь также устанавливается электрическая рулевая рейка, и сигнал с датчика на оси поступает все в тот же общий блок управления. Таким образом, контроллер обрабатывает данные с датчиков, установленных у руля, на валу колёс и в системе камер, что позволяет автомобилю определять и корректировать своё положение. В данной системе обязательно устанавливаются датчики по току, отключающие подачу питания на электродвигатель в том случае, если водитель, не отключив систему, снова начал управлять транспортным средством вручную. Когда на датчик двигателя поступает информация о препятствии (в данном случае – о руках человека на рулевом колесе), двигатель должен увеличить значение крутящего момента для его преодоления, что может привести к травме. Одновременно с повышением крутящего момента повышается ток. Как только ток достигает порогового значения, срабатывает другой датчик, и питание отключается, двигатель останавливается. Это позволяет избежать травмы человека при неправильной эксплуатации данной системы.
Сервоприводы в системе позиционирования зеркал
Также сервоприводы присутствуют в системе позиционирования зеркал. Как правило, для перемещения зеркал в вертикальной и горизонтальной плоскостях в устройстве механизма установлены два сервопривода с различными механическими передачами (например, червячной, шарико-винтовой или прямозубой). На рисунке 4 показана принципиальная схема подключения сервоприводов, расположенных в зеркалах. В данном случае датчики положения, входящие в систему, могут быть любой точности, поскольку каждый водитель настраивает положение зеркал в соответствии со своими требованиями.
Если зеркало оснащено функцией автоматического складывания, то в нём присутствует ещё один сервопривод, в состав которого входят электродвигатель и датчик-концевик. В зеркалах необходимо устанавливать небольшие двигатели с высокими значениями моментных характеристик, поскольку при начале движения конструкции может быть необходимо преодолеть какое-то сопротивление (например, намёрзший за ночь лёд). Концевые выключатели в этом случае используют для контроля движения зеркала в установленных пределах, не допуская чрезмерного отклонения их опоры.
В приводах позиционирования зеркал можно также использовать двигатели Assun Motor
Миниатюрные электроприводы в стеклоочистителях
В устройство «дворников» или, как их более корректно называть, стеклоочистителей входит миниатюрный электропривод с редуктором, механическая энергия с которого поступает на рычажный механизм или червячную передачу, которые, в свою очередь, обеспечивают движение дворников. В состав данной системы также входят датчики-концевики, но если в зеркалах они предназначены для предотвращения повреждения самих зеркал, то тут они необходимы для остановки стеклоочистителей в одном из крайних боковых положений, а не посреди лобового стекла. Привод дворников с червячным редуктором показан на рисунке 5.
При включении дворников с помощью подрулевого переключателя электродвигатель начинает вращаться со скоростью, необходимой для обеспечения скорости движения дворников, которую задал водитель. С двигателя крутящий момент поступает на редуктор, откуда потом он передаётся на трапецию, преобразующую вращательное движение в возвратно-поступательное, и оттуда уже с помощью тяг усилие передаётся на стеклоочистители.
Данные приводы не должны быть мощными, но должны быть достаточно компактными. Как правило, в данном узле используются коллекторные двигатели.
Поскольку данный узел предполагает использование редуктора, то допустимо взять двигатели Assun Motor с относительно небольшими значениями крутящего момента. Assun Motor также производит планетарные и угловые редукторы, совместимые с их двигателями.
Электродвигатели в системе отопления и вентиляции автомобиля
Еще одной важной системой, без которой невозможно представить современный автомобиль, является система отопления и вентиляции. Основа этой системы – отопительный блок, в состав которого входит радиатор, система клапанов и заслонок, а также электровентилятор, который гонит тёплый или холодный воздух по системе патрубков. Именно для работы вентилятора и необходим электродвигатель. В данной системе используют отдельно двигатель без редуктора, поскольку его единственной задачей является вращение лопастей вентилятора, а для этой задачи не требуется высокий момент, но нужны высокие значения скорости.
Двигатели для системы отопления и вентиляции могут быть как отдельно, так и сразу совмещённые с крыльчаткой. Скорость вращения двигателя и, соответственно, вентилятора, управляется либо вручную с помощью регулятора, либо автоматически, если в автомобиле присутствует опция климат-контроля. Для работы данной системы в салоне устанавливаются дополнительные датчики температуры. Помимо изменения скорости вращения вентилятора и интенсивности работы радиатора, система автоматически контролирует положение заслонок и изменяет направление циркуляции воздуха в салоне. Для этого в устройство заслонок и дефлекторов также входят электродвигатели, обеспечивающие подвижность этих узлов.
Электродвигатели в системе вентиляции и отопления могут быть как с одним выходным валом, так и с двумя, в этом случае крыльчатки монтируются сразу с двух сторон. Электродвигатель и крыльчатка (или крыльчатки) образуют цельный узел – электровентилятор, который в зависимости от типа конструкции может быть осевым или центробежным. Осевой вентилятор – это привычный всем вентилятор, формирующий поток воздуха вдоль своей оси, и в настоящее время они почти не используются, поскольку им на смену пришли центробежные вентиляторы. Эти вентиляторы выполнены в виде колеса с большим количеством лопаток, и формируемый ими поток воздуха движется от оси колеса к его периферии. Это связано с тем, что воздушный поток образуется за счёт возникающих при вращении крыльчатки центробежных сил. Пример такого вентилятора показан на рисунке 7, и в данном случае используется двигатель с двухсторонним валом и двумя крыльчатками.
В настоящее время центробежные электровентиляторы используются практически во всех транспортных средствах, поскольку они обладают большей эффективностью при меньших габаритах.
В системе вентиляции используются преимущественно датчики Холла, определяющие скорость вращения вентиляторов и скорость воздушного потока.
Электродвигатели в автодоводчиках
В автомобилях премиум-класса в двери устанавливаются доводчики, позволяющие закрыть дверь при минимально прикладываемом усилии, а также обеспечивающие плотное закрытие двери и улучшенную шумоизоляцию. Автодоводчики делятся на пневматические и электрические, но в состав обоих видов входят электродвигатели. В пневматических моделях с помощью электродвигателя в движение приводится вакуумный насос, через систему трубок соединённый с каждой дверью и багажником. Как только человек немного прикрывает дверь, но не захлопывает её, срабатывает датчик, активирующий двигатель и, соответственно, насос. В трубках создаётся разряжение, и вакуумный элемент доводчика (пневмоцилиндр) притягивает дверь так, что она плотно «прилипает» к корпусу автомобиля. Подобная система применяется, например, в автомобилях класса люкс.
Некоторые производители используют не пневматические, а электрические приводы, и в этом случае на замке каждой из дверей размещается собственный электродвигатель, а не один общий. В целом данные модели функционируют похоже: при закрытии дверей срабатывает датчик, запускающий моторчик, который соединён с «притягивающим» механизмом червячным редуктором и шестеренками.
Для запуска и остановки работы двигателей в обоих видах доводчиков используются, как правило, датчики Холла, встроенные в замок двери. Двигатель запускается, когда дверь закрыта на «первый щелчок» замка, это позволяет избежать случайного запуска привода, например, при задевании двери. Соответственно, когда дверь плотно закрыта, этот же датчик останавливает двигатель. На рисунке 8 показана схема работы электрического доводчика.
При закрывании двери вращающаяся защёлка захватывает скобу. Как только это происходит, датчик Холла подаёт на контроллер сигнал о неплотном закрытии двери. Сигнал с контроллера поступает на электропривод, который состоит из двигателя и двухступенчатого редуктора. Электропривод натягивает трос, и рычаг смещается. Рычаг давит на вращающуюся защёлку, которая притягивает дверь на «второй щелчок» замка. Это фиксируется датчиком, и электропривод выключается.
В автомобилях премиум-класса двигатели также могут устанавливаться в ручки, что позволяет им выдвигаться из корпуса машины.
На рисунке 9 слева показана дверная ручка, окружностью выделен привод, а на справа показан внешний вид подобного привода. Как видно на картинке, в основном в таких приводах используются миниатюрные электродвигатели, крутящий момент с которых передаётся на дверную ручку через цилиндрическую зубчатую передачу, что позволяет повысить значение крутящего момента и использовать данную функцию даже в тяжёлых условиях. Используемые датчики аналогичны тем, которые применяются в системе автоматического сохранения полосы – датчики по току, предотвращающие нанесение вреда людям при неправильной эксплуатации.
Электроприводы в люках в крыше
В автомобилях с люком в крыше добавляются дополнительные оси с электроприводами, необходимые для открытия люка.
Данная система может быть реализована двумя способами
- Сдвижное открытия люка: в этом случае крышка люка немного приподнимается, выходя из посадочной рамы, и сдвигается параллельно крыше автомобиля.
- Подъёмное открытие люка: люк открывается как книжка – его задний край приподнимается вверх, пока передний остаётся на месте. Данный тип люков также может быть реализован двумя способами:
Обе эти системы могут быть реализованы для открытия люка вручную (в этом случае в их устройстве нет электродвигателей, крышка люка просто двигается руками), но сейчас в подавляющем большинстве случаев используются именно электрические приводы. На рисунке 10 показана схема устройства сдвижного люка.
В данном случае электродвигатель приводит в действие тросы, сдвигающие стеклянную панель вдоль двух алюминиевых направляющих. Привод устанавливается в задней части посадочной рамы. В его состав входят электродвигатель с редуктором и червячная передача, представляющая собой шестерню на выходном валу редуктора, находящуюся в зацеплении с витыми тросами. Смещаясь, трос подаётся в двухканальную разводку в раме, защищающую трос от заедания, а также снижающую уровень шума. Контроллер люка устанавливается также на раму, он подключается к электродвигателю и к электрической системе автомобиля. Дренажные шланги необходимы для отвода воды, которая может скапливаться в раме люка. Солнцезащитная шторка, находящаяся в салоне, как правило, перемещается вручную, но есть и автомобили, где её открытие также осуществляется с помощью привода, и в этом случае будет необходимо устанавливать уже два электродвигателя.
Приводные системы для кабриолетов
Кабриолеты – машины с полностью открывающейся крышей (как правило, складывающейся), тоже оснащены приводными системами (рис. 11), которые содержат три модуля:
В данную систему входят следующие модули
- Стеклянная сдвижная крыша (собственно, это модуль, выполняющий роль люка).
- Сегмент М, в котором находится центральная рама всей крыши, а также установлен электропривод для открывания сдвижного люка.
- Сегмент С, в который входит заднее стекло, а также два привода (левый и правый), соответствующих продольным балкам крыши, фиксаторы и две пары гидравлических цилиндров.
Единственный электропривод в данной системе применяется для открытия сдвижного люка, механизм полного открытия крыши реализован исключительно на гидравлических приводах. В более простых моделях кабриолетов, как правило с менее жёсткими крышами, механизм может быть реализован так, как показано на рисунке 12.
Данная система значительно проще, поскольку состоит из одного электропривода, приводящего в действия шарнирные сочленения, складывающие крышу, но также обладает рядом недостатков, в частности, более низкой защитой от погодных условий и загрязнений.
Таким образом, и у гидравлического, и у электромеханического привода кабриолетов есть свои достоинства и недостатки, поскольку использование гидравлического привода позволяет использовать более жёсткие и надёжные крыши, но при этом такая система существенно дороже и сложнее в исполнении. Электромеханические же приводы значительно дешевле, но менее надёжны и не подходят для жёстких крыш, что привело к их использованию преимущественно в странах с тёплым климатом (в частности, подобные автомобили были широко распространены в США 1930-1960 гг., поскольку климат там был значительно мягче, чем в Европе – родине кабриолетов).
Приводные системы в стеклоподъемниках
Ещё один механизм, присутствующий в каждом современном автомобиле – это стеклоподъемник, позволяющий поднимать и опускать стёкла боковых (дверных) окон. Мы не будем рассматривать устройство стеклоподъёмника с механическим приводом, а только с электрическим.
Механизм подъёма может быть одного из трёх типов:
- тросовый,
- рычажный,
- реечный.
На рисунках ниже показано устройство всех типов подъёмных механизмов с комментариями об их устройстве.
Стеклоподъемник с тросовым механизмом состоит из привода, подвижного гибкого элемента (как правило, троса, но иногда также могут использовать цепь или зубчатый ремень), кронштейна для стекла и системы направляющих роликов (рис. 13). С вала редуктора усилие передается на зубчатую передачу. Она связана с приводным роликом, который обеспечивает поступательное движение троса. Для фиксации стекла в нужном положении используется пружинный стопорный механизм.
Реечный механизм стеклоподъемника обладает наиболее простым устройством: с сервопривода крутящий момент передается на ведущую шестерню, которая начинает перемещаться вдоль рейки вместе с кареткой, где закреплено стекло (рис. 14).
Рычажный механизм состоит из приводного механизма, системы рычагов и кулисы с кронштейном крепления стекла (рис. 15). С выходного вала редуктора крутящий момент передается на ведущую шестерню, с которой далее он переходит на зубчатый сектор и преобразуется в поступательное движение рычага. Противоположная сторона рычага толкает кулису, на которой установлено стекло, а рычаг перемещается по пазу кулисы.
Во всех трёх случаях в состав механизма входит привод, состоящий из электродвигателя и редуктора. Также в состав системы обязательно должны входить датчики, которые позволят отключить питание не только при достижении стеклом одного из крайних положений, но и при воздействии сил, мешающих движению (например, в случае, если ребенок попробует пальцами остановить стекло), что позволит избежать травм.
Микродвигатели для электрических шторок
Для защиты от солнечного света многие автомобили оснащаются шторками на окнах. Изначально предполагалось, что их нужно будет открывать и закрывать вручную, но постепенно и эта система была автоматизирована. Как правило, электрические шторки расположены на алюминиевых направляющих, перемещение по которым осуществляется с использованием электродвигателя.
Миниатюрные сервоприводы в корректорах фар
Ещё одна система, в которой могут устанавливаться миниатюрные сервоприводы, - это фары, а если точнее, корректор фар. Корректор фар – это узел, позволяющий скорректировать направление лучей света. При включении ближнего света световые потоки должны быть направлены вниз и освещать дорожное полотно, и при этом не слепить водителей встречных автомобилей. Однако, при изменении положения корпуса машины в пространстве, световой поток может сместиться: например, при чрезмерной загрузке багажника, что приведёт к тому, что он будет ближе к земле. Для этого и нужен корректор фар, позволяющий в ручном (хотя данный вид уже почти вышел из употребления) или автоматическом режиме регулировать положение наклона фар. И, как и большинство других подобных систем в автомобиле, корректоры фар могут быть гидравлическими и электромеханическими. Гидравлические корректоры регулируются только в ручном режиме, а вот электромеханические могут управляться как водителем, так и электроникой.
Ручной электромеханический корректор состоит из регуляторов, кабелей и сервоприводов, в состав каждого из которых входят электродвигатель и червячная передача, преобразующая вращательное движение в поступательное. Шток сервопривода имеет шаровое соединение с фарой и путём подъёма и отпускания изменяет её наклон.
На рисунке 16 показано устройство автоматического электромеханического корректора фар. В его состав входят более сложные компоненты, такие как электронный блок управления (контроллер), сервоприводы фар и датчики дорожного просвета (датчики положения кузова).
Угол наклона фар регулируется на основе полученных с датчиков данных об угле наклона кузова, для этого используются, преимущественно, рычажные датчики, состоящие непосредственно из датчика, жёстко закреплённого на кузове, и тяги, установленной на подвеске. Ход подвески через тягу передаётся датчику, благодаря чему определяется угол наклона кузова.
Используемые датчики бывают двух видов
- Потенциометрические
- Датчики Холла
Как правило используется не один датчик, а сразу несколько: один на задней оси кузова, и один или два на передней. Использование двух датчиков на передней оси учитывает не только общую нагрузку, но и вес водителя.
Данные с датчиков поступают на контроллер, который определяет, на какой угол отклонился кузов, и подаёт сигнал на электродвигатели в приводах фар. Сами сервоприводы аналогичны используемым в ручных электромеханических корректорах.
Все уже привыкли к тому, что передние кресла можно отрегулировать под себя. Здесь также регулировка может осуществляться вручную, когда человек физически прикладывает усилие и сдвигает, или поднимает, или опускает кресло или подголовник, используя расположенные внутри кресла механические передачи, но также все эти перемещения могут быть выполнены электромеханическими, что позволяет человеку просто нажать на кнопку для регулировки положения сидения.
Автомобили различных производителей имеют различные регулировки, но полный список всех регулировок в машинах премиум-класса выглядит следующим образом:
- Продольное перемещение
- Вертикальное перемещение
- Угол наклона спинки
- Для составных спинок:
- Угол наклона верхней части спинки,
- Высота и вылет поясничной поддержки
- Угол подъёма подголовника
- Вылет подголовника
- Складывание сидений
Микродвигатели для системы вентиляции автомобильных кресел
Кроме того, многие современные автомобили оснащаются системой вентиляции кресел. На рисунке 17 показан разрез кресла, где красным выделены миниатюрные электровентиляторы.
Для работы таких вентиляторов используются электродвигатели без редуктора, поскольку они должны обеспечивать высокую скорость вращения при низком уровне шума.
В данном материале мы рассказали вам о тех узлах автомобилей, где применяются компактные электродвигатели и сервоприводы.
Материал подготовлен сотрудниками ИНЕЛСО, впервые был опубликован в журнале Электроника НТБ, №10, 2023
Компания ИНЕЛСО поставляет широкий ассортимент электродвигателей, в частности, китайского производителя Assun Motor, чьи приводные решения подойдут для использования в большинстве систем, упомянутых в данной статье.
ИНЕЛСО является официальным дистрибьютором таких компаний как Assun Motor, Han’s Motion и Fenac Technology, занимающихся производством электродвигателей, редукторов и энкодеров, необходимых для сборки сервоприводов. Кроме того, весной 2023 года компания ИНЕЛСО объявила о запуске собственной линейки сервоприводов под брендом Ферзь.
За подробной информацией по приводным решениям для различных сфер применения обращайтесь к нашим специалистам:
по тел: +7 (812) 628-00-16
или по электронной почте: sales@inelso.ru.