Autók mechatronikája - informatika, elektronika, villamosság 1. modul: A jármű főegységek villamos, elektronikai és informatikai egységei 1. lecke. Kiegészítő tananyag: Számítógépek általános jellemzői A lecke célja Egy általános számítógép felépítésének és működésének megismerése abból a célból, hogy a Hallgató megértse a számítógépes irányítási rendszert, ugyanakkor egy komplex rálátást biztosítson az ipari folyamatok számítógépes irányítására és ezt a későbbiekben adaptálni tudja a gépjárművek irányítástechnikájára.
Kulcsfogalmak Hardver CPU RAM ROM I/O egységek Szoftver operációs rendszer felhasználói szoftverek
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 40 percre lesz szüksége.
1.1 Bevezetés Az információtechnológia magába foglalja az információ előállítását, feldolgozását és továbbítását szolgáló eszközöket és módszereket. Tehát, ebben az értelemben információtechnológiai eszköznek minősülnek: a számítástechnikai, és a kommunikációs eszközök. Manapság már az irodatechnikai eszközöket és a médiaeszközöket is információtechnológiai eszközök közé sorolják. A korszerű gépjárművek részrendszereinek a rendszeren belüli és a külvilág felé megnyilvánuló kapcsolatát a vezérlő és szabályozórendszerek irányítják számítógép közbeiktatásával. Mielőtt rátérnénk a gépjárművek vezérlésének és szabályozásának részletesebb ismertetésébe, néhány gondolatot érdemes megemlíteni a számítógépek általános működéséről. A számítógépek fejlődése során, néhány műszaki megfontolás a kettes (bináris) számrendszer alkalmazását helyezte előtérbe. A jelenlegi rendszereink ezért a bináris logikát alkalmazzák. A kétértékű logika matematikai törvényszerűségeit George Boole (1815–1864) angol matematikus fogalmazta meg a matematika nyelvén. Ezt a logikai algebrát nevezzük Boole-algebrának. A Boole-algebra természetesen csak egy része a többértékű logikát leíró matematikai logikának. Kétféle állandót ismer: a 0-t és az 1-et. Ezek logikai szintet jelölnek. Gyakorlati alkalmazásuknál ezekhez egyértelműen és könnyű műszaki megvalósítással hozzárendelhetünk egy jól mérhető és feldolgozható fizikai mennyiséget. Ez a mennyiség lehet például a villamos feszültség is. Tehát, a számítógépes feldolgozás során a matematikai logikai 0-át és 1-et egy-egy villamos feszültségszint realizálja, melyet a hardvernek kell feldolgozni.
1.2 A számítógépek rendszertechnikai felépítése a) Hardver
Mi is a hardver? A hardver a számítógépet alkotó műszaki dolgok összessége, idetartoznak az elektronikus áramkörök, kábelek, csatlakozások, mechanikus elemek és perifériák. Az első számítógépek a Neumann-elvek alapján működtek. Neumann János (1903 – 1957) magyar származású amerikai matematikus volt. Melyek a Neumann-elvek? Az elvégzendő műveletek bevihetők legyenek a számítógép tárába, majd ezek a műveletsorok végrehajthatók legyenek. A műveletsorok összességét nevezzük programnak. Az utasítások és adatok sorszámmal (címmel) ellátva helyezkedjenek el a memóriarekeszekben. Rendelkezzenek önálló adat be/kiviteli egységgel, vezérlő- és műveletvégrehajtó egységgel. A számítógép teljesen elektronikus legyen, és a bináris (kettes) számrendszer alkalmazásával működjék. Az utasításokat sorban hajtsa végre. Megjegyezzük, hogy a többprocesszoros rendszerekben nem érvényes a Neumann-elvek együttese. Az 1. ábra a számítógép elvi vázlatát mutatja, melyen jól láthatók a főbb szerkezeti egységek kapcsolódásai.
1.ábra. A számítógép elvi vázlata (A kép nagyobb változatát itt találja!) Meghatározások: FDD – Floppy Disk Drive: hajlékony- vagy mágneslemezes meghajtók,
népszerűbb nevükön floppyk. Az első PC-kategóriába tartozó gépek ezt a típust használták az operációs rendszer, illetve a különböző programok, adatok tárolására, betöltésére. Napjainkban a floppymeghajtó eredeti feladatait kedvezőbb paraméterei miatt átvette a pendrive. Ahhoz, hogy a floppyn lévő mágneses réteg alkalmas legyen az adatok fogadására, létre kell hozni rajta a tároláshoz szükséges struktúrát. Ezt a folyamatot formázásnak (formattálásnak) nevezzük. A floppy jelenleg már nem használatos. HDD – Hard Disk Drive: más néven winchester. A merevlemezes meghajtók megnevezése. A név az IBM által a hetvenes évek elején kidolgozott első ilyen jellegű háttértárolóktól származik. A merevlemez egy olyan elektromechanikus eszköz, amely az adatokat mágnesezhető réteggel bevont lemezeken tárolja. A merevlemez korábban, fixen beépített alkatrész volt, melyet már hordozható kivitelben is gyártanak. A merevlemezek, amelyek kapacitása egyre nagyobb lesz, a számítógépek belső háttértárlóiként szolgálnak. Pendrive. Nevét méretéről, és alakjáról kapta. Belsejében egy statikus memóriachip található, mely megőrzi a benne lévő adatokat a lecsatlakoztatás után is, áram nélkül is, körülbelül tíz évig. Csatlakozása a számítógéphez USB-porton keresztül történik. A szó az Universal Serial Bus rövidítése. Fontos még, hogy a készülék melyik USB szabványnak felel meg. Az eleinte használt USB 1.1-et felváltotta az USB 2.0 szabvány. Erről még a későbbiekben részletesebben is szó lesz. Hamarosan megjelenik az USB 3.0 szabvány is. CPU (Central Processing Unit – központi feldolgozó egység). Ez a processzor. Részei: CU: irányítja és ütemezi a számítógép működését. Végrehajtja a műveleteket. ALU: az aritmetikai és logikai műveleteket végzi. Regiszterek: processzoron belüli gyors működésű írható és olvasható tárolóegységek. Típusaik: Általános regiszterek (A műveleteket a CPU az általános regiszterekben tárolt adatokon végzi.) Utasításregiszter (Instruction Register) IR (Az aktuális utasítást átmenetileg tárolja.) Utasításszámláló (Program Counter) PC (A soron következő utasítás címét tárolja.) Memória címregiszter (Memory Address Register) MAR (Az adatok ki- és beolvasásakor az azonosított memóriarekesz címét tárolja.) Memória adatregiszter (Memory Data Register) MDR vagy MBR (Buffer register) (A memóriából kiolvasott vagy beírni kívánt adatokat átmenetileg tárolja.)
Dinamikus RAM, DRAM (Dynamic Random Access Memory). Egy memóriacellát egy kondenzátor és egy tranzisztor épít fel. Az információt addig tárolja, amíg a kondenzátor ki nem sül. Az információ elvesztését kiküszöböli a memória frissítése, melyet frissítő áramkörök végeznek. Előnye az olcsósága, kis mérete, hátránya a frissítés szükségessége, valamint kisebb sebessége. Statikus RAM, SRAM (Static Random Access Memory). Minden memóriacella egy kétállapotú tároló, több tranzisztorból áll, ezért bonyolultabb és drágább kivitelű. Előnye viszont, hogy nagyobb a sebessége, ezért főleg gyorsítótárakban (cache) alkalmazzák. Az első számítógépek Kbájt (=1024 bájt) nagyságrendű operatív memóriát tartalmaztak, míg ez a mai (2011) átlagos számítógépben 10 Gbájt nagyságrendjébe esik. Buszrendszer: a vezérlő-, adat- és címkódokat közvetítő vezetékek összessége. Amennyiben a számítógépnek információt akarunk továbbítani, akkor azt a gép csak akkor tudja fogadni, ha ezek az információk binárisan állnak rendelkezésre. Természetesen, ha a számítógéptől kapunk információt, akkor azok szintén binárisan jelennek meg. Ezért mindig szükségünk van egy olyan átalakítóra, amely ezt a szükséges átalakítást elvégzi. Tehát az üzenetforrás és a számítógép, valamint a számítógép és az üzenetnyelő között egy illesztőt kell elhelyezni. Például, ha időben változó feszültségjelet szándékozunk a számítógépünkkel feldolgozni, akkor szükséges egy A/D átalakító a villamos műszer és a számítógép közé. Az A/D átalakítókról a későbbiekben lesz szó. Látható, hogy az információs rendszer módszerek, eljárások, eszközök együttese. Ez az együttes információt állít elő, befogad, tárol, feldolgoz és továbbít. Az adatok feldolgozásához, megjelenítéséhez, alkalmazásához természetesen szoftverek is szükségesek. A következőkben néhány gondolatot ejtünk a szoftverekről. I/O (bemeneti /kimeneti) egységek feladata, hogy fogadja a számítógépbe a külvilágból érkező jeleket (például jelátalakítók jelét). Feldolgozás után a válaszjelek megjelennek a számítógép kimenetén. A számítógép és a hozzá csatlakoztatott tetszőleges egységek között az információáramlás a portokon keresztül valósul meg. b) Szoftver Mi is a szoftver? Mivel a hardver önmagában működésképtelen, ezért a végrehajtandó feladatot általa értelmezhető utasítások formájában kell vele közölni. Azon programok összességét, amelyek a számítógép működését biztosítják, szoftvernek nevezzük. Milyen szoftverek léteznek? Léteznek rendszerszoftverek (operációs rendszerek) és rajtuk futó felhasználói szoftverek. Operációs rendszerek
Az operációs rendszer a számítógép hardverje és a felhasználói alkalmazások közé ékelődő program. Feladata az, hogy kommunikációs lehetőséget biztosítson az ember és számítógép hardvere között, kezelje a számítógép erőforrásait és perifériáit, vezérelje és ellenőrizze a számítógép működését. Az operációs rendszereket több szempont szerint csoportosíthatjuk: Kezelői felület szerint: karakteres (szöveges), pl. MS-DOS, grafikus, pl. Windows, Mac OS X, karakteres és grafikus, pl. Linux, UNIX. A felhasználók száma szerint: egyfelhasználós, pl. MS-DOS, többfelhasználós, pl. UNIX. Az egy időben futtatható programok száma szerint: monoprogramozott, pl. MS-DOS, multiprogramozott, pl. UNIX, Windows. A korszerű operációs rendszerek több fájlrendszert támogatnak. Mit is nevezünk fájlrendszernek? Mivel az adatokat a számítógépben tárolni kell, ezt csak az információtartalom alapegységéből felépítve tehetjük meg. Először nézzük meg, mi is az információtartalom alapegysége. Az információtartalom alapegysége az 1 bit. A számítógép az adatok és utasítások bitjeit úgynevezett rekeszekben tárolja, ami a hardverfelépítés szempontjából azt jelenti a kettes számrendszer alkalmazása esetén, hogy a logikai „0”-át vagy logikai „1”-et kell egy fizikai mennyiséggel realizálni. Tehát kétállapotú jeleket kell ezekben a rekeszekben (tárolókban) tárolni. A tárolók esetében 8 bit alkot 1 bájtot. A bájt az információfeldolgozás alapegysége. A mértékegységek váltószámai 2 hatványai. 210 bájt = 1024 bájt = 1KB (kilobájt) 210 KB = 1024 KB = 1 MB (megabájt) 210 MB = 1024 MB = 1 GB (gigabájt) 210 GB = 1024 GB = 1 TB (terabájt) A fájlok méretét bájtban adják meg. A fájlrendszer egy olyan megadott hardveres és logikai struktúra, amely az operációs rendszerhez illeszkedő módon tárolja és nevezi el az összetartozó adatállományokat. Ezeknek az összetartozó adatállományoknak (fájloknak) van méretük, nevük és kiterjesztésük. Ezek egy meghatározott módon helyezkednek el a merevlemezes tárolón. Ennek a változataitól függően több fájlrendszer alakult ki. A fájl típusát a kiterjesztése jelöli, amely a fájlnév után egy ponttal elválasztva található, általában 3 karakter és a jelentésnek
megfelelő angol szó rövidítése. Nézzünk néhány fájltípust: videoállományok .AVI, .MOV, .MPG kiterjesztéssel, tömörített állományok .ARJ, .ZIP, .ACE, .RAR kiterjesztéssel, szövegfájlok TXT, .BAT kiterjesztéssel, adatfájlok .DAT, .XLS kiterjesztéssel, képfájlok .JPG, .BMP, .GIF, .PNG, WMF kiterjesztéssel stb. A Linux többféle fizikai és logikai fájlrendszert támogat (ext2, ext3, reiserfs, XFS, JFS), amiből az alkalmazástól függően választhatjuk ki a legmegfelelőbbet. Például sok kis fájl kezelésénél a reiserfs vagy nagyméretű fájlok esetén az XFS. Merevlemezek esetében lehetőségünk van a lemezterület részekre bontására, más szóval particionálására. Az egyes partíciókra más és más operációs rendszert helyezhetünk el más és más fájlrendszerrel. A számítógép bekapcsolásakor az ún. Master Boot Record (MBR) indul el a merevlemezen. Itt egy rövid gépi kódú program található, amely megállapítja, hogy a partíciók közül melyikre kell átadni a vezérlést. Egy számítógépre több operációs rendszert is telepíthetünk, melyek különböző partíciókról futtathatók. Létrehozhatunk a számítógépen külön partíciókat, ha erre a telepítéskor gondoltunk, és hagytunk rá szabad helyet, vagy lehetséges szoftverek alkalmazásával utólagosan is, ha már a merevlemez teljes egészében particionálva van. Az ilyen jellegű programokkal hatékonyan tudunk létrehozni újabb partíciókat. Ezekkel a programokkal megoldható egyik fájlrendszerből a másikba a konvertálás is, illetve a formázás. Több partíció létrehozása akkor is előnyös, ha csak egy operációs rendszer van a számítógépünkre telepítve, mert az adatainkat az operációs rendszer esetleges újratelepítése esetén is meg tudjuk tartani. Felhasználói szoftverek: A felhasználói szoftverek fejlesztői szoftverekre és célfeladatok elvégzésére készült programokra csoportosíthatók. Fejlesztői szoftverek például: Visual Studio .Net, Visual C++, Borland C++ Builder, Anjuta, KDevelop, Delphi. Célszoftverek: például irodai szoftverek, adatbázis-kezelő szoftverek, mérési eredményeket feldolgozó szoftverek, tervezőszoftverek (CAD-alkalmazások), játékok stb. A fejlesztői szoftverkörnyezetek egy vagy több programozási nyelv használatát teszik lehetővé. Programozási nyelv: Olyan leíró logikai összesség, melyet ha a megfelelő fejlesztői szoftverrel lefordítunk, akkor az operációs rendszer értelmezi és képes végrehajtani. Ilyen programozási nyelvek például a következők: C#, C, C++, Pascal, Assembly, Java. Néhány gondolat a fejlesztői programnyelvekről, fejlesztői környezetekről Gépi nyelv (gépi kód) A processzor utasításainak olyan együttese, amely lehetővé teszi az ember és a számítógép kommunikációját. A gépi kódú programozás esetén egy fájlba számsorozatot írunk, majd elindítjuk, azaz lefuttatjuk. Ekkor valamilyen feladat végrehajtódik: például a képernyőre kiír egy betűt. Tehát a gépi kód érthető a CPU számára. Ez a programozás viszont az ember számára elég nehézkes.
Példa: Írjuk ki az Y betűt a képernyőre gépi kóddal! A következő számokat hexadecimális számrendszerben adtuk meg 8 bájton (.com fájlba kell írni). B4H 02H B2H 59H CDH 21H CDH 20H Assembly Az assembly olyan programozási nyelv, amelyben az utasításokhoz egy-egy gépi kód tartozik. Az assembly nyelvet a CPU már nem tudja megérteni, ezért az így megírt programot egy fordítóprogram, az ún. compiler alakítja át gépi kódra, és így már végrehajtható. Vagyis az assembly nyelvű programból előállíthatjuk az utasítások gépi kódját, és ezt az Assembler nevű fordítóprogram végzi. Az assemblyt alacsony szintű programozási nyelvnek is szokták nevezni, mivel közel áll a gépi kódhoz, tehát a mikroprocesszor típusától függő. Közvetlenül a gépi utasításkészletre épül, az adott hardver – és csak az adott hardver – lehetőségeit a lehető legjobban használja ki. A program megírása assembly nyelven időigényes. Helytakarékossága és nagyfokú hardvertámogatása miatt előszeretettel használják driver (adott hardvert működtető, közvetlenül az operációs rendszer alá tartozó szoftver) és firmware (hardverbe égetett program) írására. Létjogosultsága azért van, mert gyors és hatékony programokat készíthetünk. A hardver elérhetőségének nincs akadálya. Az MS-DOS-t és az első UNIX operációs rendszert assemblyben írták. Az assembly nyelv rövid utasításokra épül. Ezek a mnemonikok (rövid utasítások, melyek emlékeztetnek a szóra; szótöredékek) néhány – legtöbbször egy gépi kódú műveletnek felelnek meg, és utalnak a végrehajtott műveletre. Például a MOV utasítás a move (mozgatás) rövidítése, az adatok mozgatására szolgál a memória és regiszterek (a processzor tárolóegységei) között, vagy például az XCHG az exchange (csere) rövidítése, amely az adatok kicserélését jelenti ugyanezek között. Ezek az utasítások mikroprocesszoronként különbözőek. Tehát, nincs egységes assembly nyelv, minden processzorcsalád saját nyelvvel rendelkezik. Azonban létezik egy általános kategóriahalmaz, amely minden assembly nyelvcsaládra értelmezhető. Ilyen kategóriák például: aritmetikai utasítások, logikai utasítások, bitforgató- és léptetőutasítások, vezérlésátadó utasítások és processzorvezérlő utasítások. Végezetül lássunk egy egyszerű példát assembly programra (Intel 80x86 processzor alkalmazásánál): MOV AX,15B3
feltölti az AX regisztert az 15B3H értékkel,
MOV BX,[SI+64]
beolvas 2 bájtot az SI regiszter 64H-val megnövelt értékétől, mint memóriacímről a BX regiszterbe,
ADD AX,BX
hozzáadja az AX regiszterhez a BX értékét, az eredmény AX-be kerül,
MOV [BX+DI+32],AX
az AX-ben keletkezett 2 bájtos eredményt a BX,DI és 32H összegzésével előállított memóriacímtől kezdve elhelyezi.
C nyelv
A C programozási nyelvet a 70-es években fejlesztették. Célja az volt, hogy az addig assembly nyelven íródott UNIX operációs rendszert olyan nyelven írják meg, amely kellően magas szintű, nem függ a mikroprocesszor típusától. Ez lehetővé tette a C programnyelv hordozhatóságát. A C nyelv magas szintű programozási nyelv, de ebben a kategóriában viszont a legalacsonyabb. A legalacsonyabb jelző arra utal, hogy lehetett olyan operációs rendszert és alkalmazásokat fejleszteni vele, amelyek a hardvererőforrások adta lehetőségeket a legteljesebb mértékig kihasználták. A C nyelvhez is tartozik egy compiler. Ez fordítja a forrásprogramot gépi kódra, de ez a gépi kód már hosszabb, mint egy assemblyből fordított. Forrásprogramjában már felismerhetők az angol szavak. Belőle származik a C++ és a Java. A C programozási nyelvet platformfüggetlennek is nevezik. A legelterjedtebb nagy szoftverek döntő többségét C és assembly vegyes nyelven írták még a kilencvenes években is. Az ingyenes Linux operációs rendszer elemei C forráskódban is elérhetők. C++ nyelv A C++ programozási nyelvet a 80-as évek elején fejlesztették ki a C nyelv továbbfejlesztéseképpen. A nyelv létrehozásának célja az egyre inkább terjedő objektumorientált gondolkodásmód volt. Az objektumorientált gondolkodásmód rendkívül felgyorsította a szoftverfejlesztést. Az objektumorientált programozás előnyéhez tartozik, hogy lehetővé teszi az egyszer már megírt programkódok újrahasznosítását. Java A Java objektumorientált programozási nyelvet a 90-es években fejlesztették, melyet digitális tv-hálózatokat vezérlő berendezések programozására használtak – szintaktikája hasonlít a C++-hoz. Ez az alkalmazás a későbbiekben megszűnt, de magát a nyelvet viszont felkarolta a Netscape. Később a Java-támogatást a Microsoft is beépítette a böngészőjébe, ezzel hozzá is járult az elterjedéséhez. A Java nyelv nem fordítható közvetlenül gépi kódra, amit a mikroprocesszor értelmezni tudna, hanem csak egy köztes kódra, úgynevezett bájtkódra (javac.exe windows-os környezetben). Ezt hajtja végre egy értelmező (interpreter). Ennek neve Java Virtuális Motor (JVM) (java.exe windows-os környezetben). Azon a gépen, amelyiken Java programokat szeretnénk fejleszteni és futtatni, fel kell telepíteni a Java fejlesztői és futtatói környezetet. Ezt a http://java.sun.com helyről ingyen le lehet tölteni több különböző hardverre és operációs rendszerre vonatkozóan. Ez csak az alaprendszer. A kényelmes szoftverfejlesztéshez számos vizuális fejlesztőeszköz áll rendelkezésre, például: JBuilder, JCreator stb. A JVM-megoldásnak nagy előnye, hogy egy adott programot csak egyszer kell megírni és lefordítani. A lefordított program hordozható a különböző hardver és szoftver platformok között, ami azt jelenti, hogy nem kell újra írni vagy fordítani. A JVM-t a SUN Microsystems fejlesztette ki. C# nyelv A C# programnyelvet a Microsoft fejlesztett ki általános célú programozási nyelvként. A nyelv a C++ előnyeit ötvözi a Visual Basic egyszerű használatával. A szintaktikát a C++-tól kölcsönzi, hasonlítható a Javához is. A fordításhoz és futtatáshoz a Java motorjához hasonló keretrendszer szükséges, ez a .NET keretrendszer. A Microsoft ennek megalkotásával korszerű futtatókörnyezetet hozott létre, ugyanis több nyelven lehet programozni felette. A programfejlesztők több programnyelv közül is válogathatnak ugyanazon szoftver
fejlesztésénél, és a végeredmény sem kinézetre, sem működésre nem tér el egymástól. A .NET keretrendszer szabad szoftveres változata, a Mono elérhető Linux rendszerekből is. Jelenleg a fejlődés tendenciája azt mutatja, hogy a Java-rendszer és a .NET-re épülő C# programozási nyelvek előtérbe kerülhetnek. Ehhez szükség van a hardvererőforrások jelentős fejlődésére, hogy ne legyenek sebesség- és memóriaproblémák. Természetesen az egyes szoftverek hosszabb távon történő fennmaradásához kellő mértékű gazdasági potenciál és marketing is hozzátartozik. Pascal nyelv A magas szintű nyelvek közé tartozik. Az 1990-es években nagyon népszerű volt. Önmagában már nem sok jelentősége van. Belőle származik az Object Pascal, majd a későbbiekben erre épült a Delphi (fejlesztői környezet). Negyedik generációs nyelvek (fejlesztői környezet programnyelvvel) A Delphi, amely már 4. generációs programozási nyelvnek tekinthető, az Object Pascalból fejlődött ki. A negyedik generációs nyelvek a programozó válláról sok munkaigényes feladatot levesznek. Ilyenre lehet példa egy könnyen megoldható képernyőtervezés. Utasításai segítségével már összetett műveletsorozatot lehet egy lépésben végrehajtani. A Delphi alkalmazásakor a Pascal forráskódot automatikusan generálhatjuk, amelyben változtatásokat eszközölhetünk. Tehát ilyen szempontból rugalmasnak tekinthető. A Microsoft által fejlesztett Visual Basic a népszerűségének köszönheti, hogy fennmaradt. Olyan embereknek szánták eredetileg, akik nem programozó matematikusok, de rákényszerülnek egyedi szoftverek gyors fejlesztésére. Forráskódjának vázát legenerálja, és a konkrét feladat megoldását kézzel kell begépelni. A Magic egy tiszta negyedik generációs rendszer, melynek legfontosabb tulajdonsága, hogy különösebb programozás nélkül is komoly adatbázis-kezelő rendszereket lehet benne fejleszteni teljesen vizuális módon. Forráskódját nem érhetjük el. Néha 5 GL nyelvnek is nevezik, ugyanis nincs definiálva pontosan az, hogy mit is tekintünk 4 GL-nek. Ezt a jövő fogja egyértelműen majd eldönteni. Gyors fejlesztést tesz lehetővé. Ha adatbázis-kezelésről van szó, mindenképpen meg kell említenünk a világviszonylatban is nagymértékben elterjedt Oracle-termékeket. Amennyiben adatbázis-kezeléssel szándékozunk foglalkozni, akkor el kell sajátítani az SQL szabványos, strukturált lekérdező nyelvet. SQL = Structured Query Language. Szigorúan kötött szerkezet jellemzi, a mai napig többszöri fejlesztésen ment keresztül. Az SQL az adatbázis-kezelők elengedhetetlen lekérdező nyelve több operációs rendszeri környezetben. A Microsoft Access (amely egy alkalmazás) is tartalmaz SQL felületet, mellyel komolyabb feladatokat is megoldhatunk.
Ellenőrző kérdések Mi a hardver? Mik a számítógép hardveres főbb egységei? Mi a szoftver? Hogyan csoportosítaná a szoftvereket? Melyik hardveren keresztül csatlakozik a számítógéphez egy tetszőleges külső egység? (Az 1. fejezet áttanulmányozása után tudni kell rá válaszolni, ugyanakkor ez egy előre mutató kérdés, mert a 2. leckében van részletesen kitárgyalva.)
2. lecke. Kiegészítő tananyag: A számítógép és a külvilág kapcsolata, portok A lecke célja Bevezetni a Hallgatót egy általános számítógépes folyamatirányításba. A Hallgatók rendszerben látva gondolkodjanak a későbbiekben a gépjárművek számítógépes irányításának elsajátításánál.
Kulcsfogalmak Üzenetforrás A/D átalakítás Számítógépes folyamatirányítás Portok
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 40 percre lesz szüksége.
2.1 Üzenetforrások Felmerül a kérdés, hogy milyen jellegű üzenetforrások lehetnek? Milyen jeleket illeszthetünk a számítógéphez? Jellegüket tekintve: diszkrét vagy analóg. Diszkrét üzenetforrás például egy szimbólumsorozat (A, B, M, X). Ebben az esetben az egyes szimbólumokhoz egy bináris adatfolyamot rendelünk, és ezt továbbítjuk a számítógéphez feldolgozás céljából. A diszkrét üzenetforrást egy úgynevezett forráskódoló alakítja át a számítógép számára olvasható jellé. A folyamat megfordítottját forrásdekódoló végzi. A forráskódolásra számos lehetőség kínálkozik. Lehet állandó szóhosszúságú kódolás, illetve változó szóhosszúságú kódolás. Állandó szóhosszúságú kód például ASCII-kód, EBCDIC-kód. Változó szóhosszúságú például a Huffman-kódolás, Shannon–Fano-kódolás. Azt a forráskódolást alkalmazzuk, amelyiknél nagyobb a kódolás hatásfoka. Lényegük az, hogy alkalmazásukkor a gyakran előforduló szimbólumokhoz rövidebb, míg a ritkábban előfordulókhoz hosszabb bináris adatfolyamot rendelünk. Ezzel a megoldással az információ feldolgozását, valamint továbbítását gyorsíthatjuk. Mindkét kódolásnál meghatározó adat az egyes szimbólumok előfordulási valószínűsége. Analóg üzenetforrás például egy emberi hang vagy egy folyamatosan változó villamos feszültség az idő függvényében. A jeladók (mérőátalakítók) nem villamos mennyiségek mérési eredményét számos esetben analóg villamos jelekké alakítják. Ilyen átalakító lehet például hőmérséklet, nyomás, sebesség, fordulatszám jelátalakító. Blokkvázlata a 7.2.1 ábrán látható.
1. ábra. Mérőátalakító Az analóg jelek számítógéphez történő illesztését A/D (analóg/digitális) átalakítók, míg a számítógép kimenetén megjelenő jeleket D/A (digitális/analóg) konverterek végzik. Ezek az átalakítások nélkülözhetetlenek például az ipari folyamatok vezérlési, illetve szabályozási folyamatainál.
2.2 A/D átalakítás Az A/D átalakítás egy olyan eljárás, amely az analóg jelből előállítja annak digitális megfelelőjét. A folyamat elvégzéséhez először mintát kell venni az analóg jel valamely jellemzőjéből. Ezt a mért értéket nevezzük mintának, tehát egy folytonosan változó fizikai mennyiséget kell a mintavételi időpontokban megmérni, és ezekkel a mért értékekkel jellemezzük a számítógéppel feldolgozandó analóg jelet. Ezt a lépést úgy is fogalmazhatjuk, hogy mintavételezés. Tehát a mintavételezés időben történő diszkretizálás. Viszont a feldolgozáshoz ez kevés, mert a mért értékeket hozzá kell rendelni digitális számokhoz. Ezt úgy is értelmezhetjük, hogy a változó értéktartományt véges sok intervallumra osztjuk, és az intervallumokat egy kijelölt elemével reprezentáljuk. Láthatjuk, hogy ez amplitúdóban történő diszkretizálást jelent, azaz a mért mintákhoz hozzárendelünk egy digitális számot, melyet fizikailag már tudunk illeszteni a számítógéphez. Ezt a folyamatot nevezzük kvantálásnak. A kvantálás pontosságát az határozza meg, hogy hány biten kvantálunk. Ez azért fontos, mert kvantálás után a jelet már nem tudjuk eredeti állapotába visszaállítani (információvesztés történik), tehát a pontos feldolgozás nagyobb bitszámon történő kvantálási folyamatot igényel. Nézzünk erre egy példát grafikonos ábrázolással (7.2.2 ábra), majd az értékeket adjuk meg táblázatban (7.2.1 táblázat) is. A táblázatban az idő függvényében mért feszültségértékeket és az ezekhez rendelt digitális számokat láthatjuk. A 7.2.2 ábrán 32 mV feszültségsávot 24-en, azaz 16 részre bontottuk, és ezekhez a sávokhoz rendeltük a digitális számot. Az ábrán ennek csak egy részletét láthatjuk. Megfigyelhetjük, hogy így 20 mV nagyságra 10 sáv adódik. A mért értékek mintavételezett adatok, melyekhez kvantálással bináris számokat rendeltünk. A mért értékeket az intervallum alsó határához igazítottuk. Ha ez megtörtént, akkor a jel már nem állítható vissza eredeti állapotába. 4 bites kvantálásnál 24-en, azaz 16 részre oszthatjuk fel a mért érték intervallumát. A kvantálást 16 biten végezve ugyanezt az intervallumot 216, azaz 65536 részre oszthatjuk és ezzel az analóg jel pontosabb ábrázolását tesszük lehetővé.
2. ábra. Mintavételezés és kvantálás
1. táblázat A mintavételezés sebessége is mérvadó, mert nem midegy a mintavételezés gyakorisága. Nagyobb mintavételezési sebesség mellett adott idő alatt több mérési értéket gyűjthetünk össze, és így pontosabb ábrázolást valósíthatunk meg. Minden bemeneti jelből a lehető legnagyobb mintavételi sebességgel kell mintát vennünk, hogy a lehető legpontosabban jeleníthessük meg az analóg jelet a számítógépben. Ezt matematikailag a Shannon-tétel fejezi ki, mely szerint, ha egy idővel változó jelből állandó frekvenciával mintát veszünk, és ha a mintavételezés frekvenciája legalább kétszerese a mintavételezett jel legnagyobb frekvenciájának, akkor az így kapott mintavételezett (diszkrét) jelből az eredeti jelalak visszaállítható. A D/A átalakítás az A/D konvertálás fordított művelete. Olyan eljárás, amely a digitális jelből állítja elő az analóg jelet. Ezzel tudunk illeszteni például számítógépről vezérlő- vagy szabályozási jeleket ipari folyamatokhoz. A gépjármű elektronikus irányításakor az első lépés a mérésadatgyűjtés, melyet a mért fizikai mennyiségek villamos jellé történő átalakítása követ. Ez a folyamatot egy érzékelő és egy mérőátalakító végzi. A mérőátalakító a nem villamos fizikai mennyiséget villamos jellé alakítja. A kimenőjel lehet áram vagy feszültség az idő függvényében. Ezt kell digitális információvá átalakítani a számítógépes feldolgozás számára. Ehhez szükséges az A/D átalakító. A mérőátalakító kimenete az A/D átalakító bemenetére kapcsolódik.
A mérőátalakító kimenetén egy minimális és maximális feszültségszint között lehet az a feszültség, amelyet digitalizálni kell. A mérőátalakítók maximális kimeneti feszültségszintjére vonatkozóan több tipikus érték használatos, de ezek értékei általában a –10 V-tól +10 V-ig terjedő intervallumba esnek. Ezek után a kérdés már csak az, hogy hol csatlakoztassuk a mérési eredményeket reprezentáló digitális adatunkat a számítógéphez. A soros portot információ továbbítására gyakran alkalmazzuk a számítógép valamint a műszer között, és több változata létezik. Egy számítógépen több is található. A soros adatátvitel egy olyan egyvezetékes adatátviteli vonal, amely egyszerre 1 bit információt képes eljuttatni a fogadó állomáshoz. Ezt az adatátviteli módot akkor célszerű használni, ha az adatok átviteli sebességigénye relatívan kicsi, vagy nagy távolságra kell az adatokat eljuttatni.
2.3 Bevezetés a számítógépes folyamatirányításba Számítógépes folyamatirányításkor (7.2.3, és 7.2.4 ábra) bizonyos folyamatok jellemzőit mérjük és ezek ismeretében a számítógép vezérlőjeleket, illetve szabályozójeleket ad vissza a folyamat számára. Természetesen a mért jellemzők analóg formában állnak rendelkezésre bármilyen fizikai jellemzőről is legyen szó. Digitális számítógépeink viszont számadatokon tudnak műveleteket végezni. A korábbiakban láthattuk, hogy az analóg mennyiségek értékeit előbb digitális adatokká alakítjuk, majd ezen adatokat visszük a számítógép memóriájába. Ezt úgynevezett interfész-áramkörök (illesztőáramkörök) segítségével tehetjük meg, melyek tartalmazzák a már megismert A/D átalakítót. Visszahatni a folyamatra szintén szükség van egy kimeneti interfészáramkörre. A kimeneti interfész-áramkör D/A átalakítót tartalmaz. Egy illesztőkártyára egyre több funkciót integrálnak. Éles határt húzni a konkrét áramkörök közé nem érdemes. Tehát, egy analóg kimenőjelet szolgáltató D/A átalakító és perifériavezérlő egy egységet is alkothat. A következő ábra a számítógép és a folyamatperiféria kapcsolatát ábrázolja. A mérni kívánt fol yamatnál több bemeneti jelet kell feldolgozni, és a kimeneten több kimenőjelet kell a folyamat részére visszaadni.
3. ábra. A számítógépes folyamatirányítás blokkvázlata A szabályozandó folyamatok jellemzőinél a mintavételi idő általában 0,1 s és 20 s tartományba esik (de természetesen ezen az intervallumon kívüli érték is lehet). Mivel az A/D átalakítás ideje ennél jóval kisebb, kb. 1-2 ms, ezért lehetőség kínálkozik arra, hogy több bemenőjel esetén is csak 1 db A/D átalakítót alkalmazzunk egy analóg multiplexer közbeiktatásával. A multiplexer egy olyan áramkör, amely több bemenőjel közül kiválasztja, hogy melyik bemenő adat kerüljön a kimenetére. Ez az érték kerül az A/D átalakító bemenetére. A multiplexert vezérelve folyamatosan változtatjuk az A/D átalakító bemenetére kerülő jelet a feldolgozás számára.
4. ábra. A számítógépes folyamatirányítás blokkvázlata Az interfész szabványos kell, hogy legyen. Jellegét tekintve ez lehet soros vagy párhuzamos szervezésű. A soros alatt azt értjük, hogy a bitek időben egymás után érkeznek egyesével a számítógép bemenetére. A párhuzamos pedig azt jelenti, hogy több bitet egy időben juttatunk szintén a számítógép bemenetére. Mind a két eljárásnak vannak előnyei és hátrányai. Gondoljunk a két alkalmazás alkatrész igényére, illetve gyorsaságára.
2.4 Kapcsolat a külvilággal: portok a) Átvitel párhuzamos porton keresztül Ez bájtsoros és egyúttal bitpárhuzamos adatátvitelt jelent Az információt bitcsoportban továbbítják, így az információ átviteli sebessége nagyobb lesz. Ehhez azonban a csoporton belüli bitek mindegyikére adatutat kell kiépíteni, ami meggyorsítja az átvitelt, de meg is drágítja a kivitelezést. Természetesen külön vezetékek is szükségesek az adó-vevő szinkronizmus megvalósítására. Ezt az ún. párhuzamos átvitelt, csak kis távolságokra alkalmazzák. Számítógépen belül a részegységek összeköttetését ily módon oldják meg. Ezzel a megoldással működnek a számítógépek adat-, vezérlő- és címbuszai. A perifériák közül a szkenner és a nyomtató párhuzamos portra is kapcsolódhat, de manapság egyre inkább áttértek az USB-port alkalmazására.
b) Átvitel soros porton keresztül (RS 232 C interfész) Manapság jelentősége csökken, de a meglévő műszerek csatlakoztatásához még egy ideig szükség lesz rá. A port alkalmazásakor bájtsoros és a bájtokon belül bitsoros adatátvitel történik. Kevesebb darabszámú vezetékkel realizálható, mint a párhuzamos megoldás. Alkalmazásával az átviteli távolság legfeljebb 15 m lehet. Hátránya a lassabb adatátvitel, de ezt a korszerű hardverelemek kompenzálhatják. A soros adatforgalom egy vezetékpáron folyik. Az egyik vezetéken történik az adás, a másik vezetéken pedig a vétel. Így szimplex, illetve duplex (egyidejűleg van adás és vétel is) rendszer egyaránt kialakítható. Csatlakozója lehet 25 vagy 9 pólusú. A szabvány megalkotásánál úgy gondolták, hogy a 25 pólusú csatlakozó valamennyi vezetékére szükség lesz, de a technika fejlődésével a szükséges vezetékek száma csökkent, ezért használunk manapság 9 pólusú csatlakozót. Általában a leggyakrabban használt IBM PC gépek a COM1-gyel és a COM2- vel jelölt soros portja az RS 232 C szabvány szerinti.
Az adatátvitel során a bitfolyamot kis egységekre bontják. Általában a 7 és 8 bites átvitel terjedt el az ASCII-, illetve a bővített ASCII-karaktertáblának megfelelően. Az így adódó biteket kiegészítik még START és STOP bitekkel, valamint hibadetektálási lehetőséget nyújtó paritás bittel. A START és a STOP biteket keretező (framing) biteknek is nevezik, mert a tényleges információ elejét a START bit, míg a végét a STOP bit jelzi. Az adatok továbbítása mindig a legkisebb helyi értékű bittel kezdődik.
A 7.2.5 ábrán látható TTL jelszint 0 és 5 V. (A TTL tranzisztor – tranzisztor logikát jelent.) Az ábrán az RS 232 meghajtóval jelölt blokk elvégzi a beérkező párhuzamos bitcsoport sorossá alakítását, hozzáadja a szükséges kiegészítéseket, melyek a START, STOP, valamint a paritásbit. Ezen felül a TTL jelszinteket szabványos RS 232 jelszintekké alakítja. Ezek: 0 V → +12 V, 5 V → -12 V. A vevő oldalon a fogadó berendezéssel jelölt blokk a soros adatokból képezi a bitcsoportot további felhasználás számára. A jelek mérése egy közös földvezetékhez viszonyítva történik, ezért a rendszer villamos zavarérzékenysége viszonylag nagy, ez indokolja a 15 m-es hossz korlátot. Ezért születtek később ipari körülményekhez igazodó más szabványok. Ezek az új szabványok lehetővé tették a nagyobb távolságok áthidalását, több készülék összeköttetését a pont – pont összeköttetést megvalósító RS 232 C helyett, és növekedett az átviteli sebesség.
5. ábra. RS 232 kapcsolati rendszere Érdemes megemlíteni, hogy két számítógépet hálózati kártya nélkül is összeköthetünk a soros kábel segítségével. A beállítást elvégezhetjük a Total Commander Hálózat menüjének Közvetlen kábelkapcsolat két PC között… elnevezésű almenüpontjában.
c) RS 449 interfész (ipari célú felhasználás esetén) Bináris soros adatok átvitelére hozták létre. Alapja két villamos szabvány volt, ezek az RS 423 és RS 422, melyeket kiegészítettek mechanikai, funkcionális és eljárás interfésszel. Ezeknél a szabványoknál a jeleket vezetékpár közötti feszültségkülönbség hordozza. Mivel a külső villamos zavarójel mindkét vezetéken érezteti hatását, a különbségképzés miatt a villamos zajok kölcsönösen kioltják egymást, ezért zavarvédettebb. Ezért alkalmazhatók hosszabb távolságra. Az RS 423-as összeköttetése koaxiális kábellel történik, míg az RS 422-es megvalósítása sodrott érpár. Mindkét esetben differenciálerősítő fogadja a jeleket. Alkalmazásakor egy adó mellett több vevő is lehet a vonalon. Az összeköttetés jellege üzenetszórásos, melyet multidrop kialakításnak nevezünk. Az átvitel csak egyirányú. Amennyiben duplex megoldást akarunk megvalósítani, akkor négyvezetékes átvitelt kell alkalmazni ellentétes vevő-adó áramkörökkel. Az RS 422-es esetében az átviteli távolság 1200 m is lehet. 60 m-es távolságnál az adatátviteli sebesség 2 Mbit/s.
d) RS 485 interfész (ipari célú felhasználás esetén) A folyamatirányítás alkalmazásakor természetes igény a kétirányú kommunikáció, valamint komplex rendszerek felügyelete. 1983-ban hozták létre az RS 485-ös szabványt. Az információáramlás szintén vezetékpáron történik,
de a vonalpáron már több adó és több vevő is lehet. Egy vonalpáron a kommunikáció csak szimplex, de megoldható a négyvezetékes rendszerrel a teljes duplex összeköttetés is. Az interfészkábel 2 erű csavart érpárárnyékolással van ellátva. Félduplex üzemben 32 db adó/vevőt képes együttműködtetni multidrop hálózaton (sok üzenetszórásos hálózat). Annak érdekében, hogy csak egy adó kezdjen adni a vonalon, az adási jogot irányítania kell egy kitüntetett eszköznek, melyet masternek nevezünk. Ez címzéssel ad engedélyt az egyes adóknak az adásra. Tehát ez a folyamat egy hozzáférési elvet valósít meg lekérdezés formájában, melyet pollingolásnak nevezünk. Tehát, ez az interfész pollingolt, master/slave protokollal működik. Összefoglalva: az RS 485 interfészkábelen csak az az adó küldhet közleményt, amelyet a MASTER a Controll jelű ponton programmal megjelölt. Blokkvázlatát a 7.2.6 ábra mutatja.
6. ábra. Az RS 485 interfész kapcsolati rendszere
TXD-vezeték → adóvezeték, RXD-vezeték → vételvezeték, Controll vezeték → kiválasztja, hogy melyik interfész szolgáltathat adást. A 7.2.7 ábrán a folyamatirányító rendszer folyamatperifériáinak rendszerbe történő kapcsolását láthatjuk:
7. ábra. A folyamatirányító rendszer folyamatperifériáinak rendszere Ha számítógépünk kiépítése csak RS 232 csatlakozási felületet biztosít, akkor egy RS 485/RS 232 C átalakító segítségével az RS 485-ös kábel jelét PC-gépünkhöz csatlakoztathatjuk. Láthatjuk, hogy a mérés automatizálása során a mérés valamilyen meghatározott program szerint zajlik. Az adatok több forrásból származhatnak, különböző távolságokról érkezhetnek, de az adatok feldolgozása egy központi helyen történik. Az adatok továbbítása pedig egy megadott protokoll szerint kell, hogy történjen. Az RS 485 esetén az adatsebesség elérheti a 10 Mbit/s-ot. Az áthidalható távolság 1200 m. A buszra köthető készülékek száma 32. Persze ezek az adatok csak akkor igazak, ha a vezeték megfelelő keresztmetszetű, az adott érpár csillapítása nem nagyobb egy határértéknél stb. Természetesen a rendszer működőképes kisebb keresztmetszetű érpárnál is, csak kisebb lesz az áthidalható távolság, vagy az összeköthető készülékek száma lesz kisebb.
e) PS/2 A számítógép egér vagy billentyűzet használata nélkül elképzelhetetlen. Jelenleg, egy mai egér átlagosan 3 gombbal rendelkezik. A PS/2 interfészt az IBM személyi számítógépeihez dolgozták ki. f) USB (Universal Serial Bus) Az USB, az Universal Serial Bus – univerzális soros busz – kezdetben a közepes sebességű perifériák csatlakoztatására szolgált, 12 Mbit/s adatátviteli sebességre volt képes. A legújabb szabvány szerint, melyet a Compaq, a HP, az Intel, a Microsoft, a Lucent, az NEC és a Philips Semiconductors fejlesztett
ki, már 480 Mbit/s-os adatátviteli sebességre is képes. Alkalmazásával a számítógéphez egyszerre és legfeljebb 127 különböző eszköz csatlakoztatható. Mivel az USB-kábel az adatokon kívül áramot is szállít a készülékhez, így sok esetben fölöslegessé válik a tápkábel. Az USB 1 bites bitsoros átvitelt tesz lehetővé multiplexereken keresztül. Korábban létezett az 1.1-es szabvány, jelenleg a 2.0-ás szabványra készített USB-portokat és csatlakozókat lehet kapni. Amennyiben minden eszköz USB-csatlakozóval rendelkezik, akkor a PC-ből csak egy kábel indul ki, mivel az USB-eszközök láncba fűzhetők. A szabvány létrehozásának célja az volt, hogy csökkentsék mind a hardvergyártók, mind a felhasználók költségeit. Meg kell jegyezni, hogy a biztonságos működés érdekében 5 m-nél hosszabb USB-kábeleket nem érdemes használni. A korszerűbb számítógépekben négy darab USB-port is lehet. Amennyiben több készüléket szándékozunk gépünkhöz csatolni, akkor az úgynevezett USB-hubok segítségével több eszközt is ráfűzhetünk. Az USB-hubok két fajtája létezik, az egyikhez tápegység szükséges, a másikhoz nem. A tápegység nélkülinél kevesebb készüléket fűzhetünk fel, mivel csak 0,5 A-es árammal működik. Csillag topológiájú hálózatokban a hubok végzik a jelek regenerálását, tehát újra erősítik a jeleket. Segítségükkel maximum 127 darab USB-eszköz csatlakoztatható. Gyakorlatilag azt mondhatjuk, hogy a jelenleg gyártott felhasználói eszközök USB-csatlakozóval készülnek, például kamerák, digitális fényképezőgépek stb. A tendencia azt mutatja, hogy a soros, illetve a párhuzamos port kezd háttérbe szorulni, hiszen a szkennerek és nyomtatók többségét a gyorsabb elérhetőség miatt USB-porttal látják el. Jelenleg még szükséges a portok közötti átalakítást biztosító konverterek használata, mivel a villamos mérőműszerek RS 232 porttal rendelkeznek, de az új számítógépeket általában csak USB-porttal látják el.
Ellenőrző kérdések Milyen üzenetforrásokat ismer? Mi a mérőátalakító (jeladó)? Ismertesse az A/D átalakítás folyamatát! Rajzolja fel a számítógépes folyamatirányítás blokkvázlatát! Milyen portokat ismer?
3. lecke. Vezérlés, szabályozás, jeladók A lecke célja A jármű főegységek vezérlő és szabályozó elemeinek, jeladóinak megismerése.
Követelmények A Hallgató legyen képes felsorolásból kiválasztani a vezérlés és a szabályozás jellemzőit, ábra alapján megnevezni a vezérlés és a szabályozás elemeit, felsorolásból kiválasztani a végrehajtó szerv bemeneti jeleit, felsorolásból kiválasztani a jeladók feladatát, felsorolásból kiválasztani, milyen célokból történik a jeladók jeleinek feldolgozása a járműben.
Kulcsfogalmak vezérlés szabályozás szabályozó szerv jeladók
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 40 percre lesz szüksége.
Javaslat
Ismételje át korábbi tanulmányaiból a következőket: félvezető elemek jellemzői és gyártása, feszültségosztás fogalma, indukció jelensége.
3.1 Irányítás fogalma A vezérlést és a szabályozást együttesen irányításnak nevezzük. A két irányítási mód különböző (1. ábra).
1.ábra. Irányítás felosztása Tevékenység: fogalmazza meg, mit értünk vezérlésen és szabályozáson, jegyezze meg ezek jellemzőit! Tanulja meg lerajzolni a vezérlés és szabályozás blokkdiagramját!
Vezérlés: Jellemzője, hogy nyílt hatásláncú folyamat (2. ábra). A vezérelt szakasz kimenetéről nincs visszacsatolás a bemenetre. Tehát a mért értékek alapján a vezérlő elvégez egy beavatkozást. A vezérelt szakaszba bemenő jel a beavatkozó jel, míg a vezérelt szakasz kimenő jele az úgynevezett feladatjel. Tehát a vezérlés ezt befolyásolja. A beavatkozó jelet számítógépes adatfeldolgozással határozzák meg.
2.ábra. Vezérlés blokkvázlata gépjárműben
A vezérlés előnye a szabályozással szemben, hogy mindig stabil folyamat. Hátránya, hogy csak azon zavarójelek hatását küszöböli ki, melyek előre ismertek. Ha például elektronikusan vezéreljük a benzinbefecskendezést, akkor a beavatkozó szerv megváltoztatja a tüzelőanyag áramot. Így a beavatkozó jel a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége, feladatjelnek pedig a levegő – tüzelőanyag arány tekinthető. Mit tekinthetünk ebben az esetben itt zavarójelnek? Zavarójelek lehetnek például: motor fordulatszáma, levegő nyomása, levegő hőmérséklet, stb. Ha ezeket nem ismerjük, akkor a számítógépes információ értékelése nem az optimális megoldást adja. A folyamat blokkvázlatát a.3. ábra mutatja.
3. ábra. Benzinbefecskendezés vezérlése. Szabályozás: Jellemzője, hogy zárt hatásláncú folyamat, tehát egy visszacsatolás található benne. A szabályozott jelet mérik, és a vezetőjellel összehasonlítva annak megfelelően módosítják. Ezzel elérhető, hogy a zavaró jeleket ellentétben a vezérléssel, nem kell előre ismerni. Tehát a szabályozás minden zavaró jel hatását korrigálja. Blokkvázlata a 4. ábrán látható.
4. ábra. A szabályozás blokkvázlata Tevékenység: Jegyezze meg, mi a végrehajtó szerv feladata, és általában mi a bemeneti jele! A végrehajtó szerv bemeneti jele általában villamos feszültség vagy áram. A végrehajtó szerv illesztést valósít meg, azaz a végrehajtó jelet olyan jelhordozóra ülteti, amely alkalmas a beavatkozó szerv működtetéséhez. Például ha a végrehajtó jel villamos feszültség és a beavatkozó jel elmozdulás, akkor a végrehajtó szerv lehet egy húzó erőt kifejtő elektromágnes, vagy villamos motor. A beavatkozó szerv a folyamathoz illesztett olyan szerkezet, amely alkalmas a szabályozandó berendezés bemenetén lévő jellemző megváltoztatására. A végrehajtó szerv és a beavatkozó szerv egy egységet is alkothat.
Összegezve: a szabályozás előnye, hogy nem kell ismerni előre a zavaró jeleket, hátránya viszont az, hogy helytelen szabályozási folyamat alatt instabil állapotba kerülhet a visszacsatolás miatt.
3.2 . A jármű főegységek jeladói (autóelektronikai érzékelők áttekintése) Tevékenység: jegyezze meg, mi a jeladók feladata! A jeladók feladata (5. ábra) a működést jellemző analóg és diszkrét jelek biztosítása az irányítás számára. Az analóg jelek valamilyen fizikai mennyiség mérésével kapcsolatosak. A diszkrét jelek csak egy bizonyos értékeket
vehetnek fel, jellegzetes a „van jel”, „nincs jel” érték kombináció. Ez történhet 1 biten, de lehetséges megoldás a több összetartozó bit együttes alkalmazása, mellyel többállapotú jel reprezentálható.
5. ábra. A szenzor funkciója Tevékenység: jegyezze meg, milyen célokból történik a jeladók jeleinek feldolgozása! A jeladók jeleinek feldolgozása azt a célt szolgálja, hogy a motor és erőátviteli rendszerek optimális, maximális hatásfokú és egyúttal minimális környezetszennyezést biztosító munkapontban üzemeljenek. Ugyanakkor lehetővé teszik a nagyobb üzem- és utasbiztonságot. Igyekszenek biztosítani az utasok kényelmét és tájékoztatni a vezetőt. Milyen követelményeket támasztunk az érzékelőkkel (jeladókkal) szemben? pontosság, stabilitás és megbízhatóság az autó élettartama alatt, stabilitás az üzemi hőmérséklet tartományban, korrózióállóság, ütés és rezgésállóság, gyorsulással szembeni érzéketlenség, vibráció elviselése (50 – 2000 Hz), elektronikája biztosítsa a túlfeszültség, rövidzár, polaritások felcserélése elleni védelmet. Intelligens szenzornak (6. ábra) vagy integrált szenzornak szokták nevezni a speciális elektronikával ellátott a pontosság követelményeit jobban teljesítő érzékelőket. Ugyanakkor ezzel a megoldással multiszenzor struktúra is kialakítható, mellyel a komplex információkat tömöríteni lehet. A 7.3.6 ábrán látható PROM-ban tárolt korrekciós információk révén történő javítással az intelligens szenzorok képesek a mérési értékeket gyakorlatilag hibamentesre átszámítani.
6. ábra. Intelligens szenzor korrigáló modulja A gépjárműtechnikában a szenzorok és az úgynevezett aktorok (működtetők) perifériaként funkcionálnak. A szenzorjelek szabványosított formában jutnak a feldolgozóegység bemenetére (pl. ECM, azaz Electronic Control Module /Autók Motorvezérlő Computere/). Tevékenység: Sorolja fel, milyen fizikai jellemzők használhatók fel a szenzorok alkalmazásában! Milyen fizikai jellemzők használhatók fel a szenzorok alkalmazásában? Ellenállás változása (rezisztív hatás) fémes és félvezető anyagok hőmérsékletfüggése, pl. NTC levegő és motorhőmérséklet méréseknél, ellenállások hossz és szög arányossága, pl. gázpedál, fojtószelep, tartály szintjelzés, foto-ellenállások (fényfüggés), pl. esőérzékelő, automatikus menetfény bekapcsolás, magnetorezisztív anyagok mágneses tér függése, pl. fordulatszám mérése. Indukció következményei (induktív hatás) elmozdulás mágneses térben, pl. motor-, kerék-, vezérműtengely fordulatszám, induktivitás változása vasmag mozgatásával, pl. szívócső nyomásérzékelő, transzformátoros csatolás változtatása pl. gázpedál helyzetérzékelő. Kapacitív hatás kapacitás fegyverzeteinek távolság vagy felület változtatása, pl. légzsák, nyomásszenzor, perdületszenzor, dielektromos állandó változása, pl. nedvesség-szenzorok, olajminőség, tartályszintjelzés, Villamos feszültséget létrehozó hatás
Hall-effektus, pl. gázpedál, gyorsulás (ABS-nél), adagolt cirkónium-oxid kerámia, pl. lambda szondák, termoelem, pl. IR-szenzor. Villamos töltést létrehozó hatás piezoelektromos hatás, pl. légzsák-szenzor, kopogás-szenzor, fotoelektromos töltés keletkezése, pl. képszenzor. Fotoelektromos hatás fotocella, fotodióda, fototranzisztor, pl. automatikus fényszóró bekapcsolás, automatikus fénytompítás, esőérzékelő. Termikus hatás áramlási sebességtől függően villamos ellenállás lehűlése, pl. sűrűség, összetétel változásának mérése, légtömeg mérése. Hullámterjedési hatások fényhullámok visszaverődése - szóródása, pl. esőérzékelő, hanghullámok terjedési ideje, pl. parkolásnál.
Hogyan osztályozhatjuk a szenzorokat? Tevékenység: Jegyezze meg, hogy az egyes csoportokba milyen szenzorok tartoznak! A szenzorokat a gépjárműtechnikában több eltérő szempont szerint osztályozhatjuk. a) Alkalmazás szerinti csoportosítás Funkcionális szenzorok. Vezérlési és szabályozási feladatokhoz rendelhetők (pl. hőmérséklet, nyomás, fordulatszám, stb.) Védelmi szenzorok. Biztonsághoz rendelhető szenzorok (pl. légzsák, ABS, ESP) Információs szenzorok. Járműfelügyeleti szenzorok (pl. fékpofa kopás) b) Kimeneti jelek szerinti csoportosítás Analóg (vonatkozhat feszültségre, áramra, frekvenciára, impulzusra, stb.) Diszkrét (kétállapotú binárisan kódolt, többállapotú binárisan kódolt) c) Jelleggörbe típusa szerint Lineáris kapcsolat (7. ábra) a kimeneti jel és a bemeneti jel között a méréstartományban.
7. ábra. Lineáris kapcsolat Nem lineáris kapcsolat (8. ábra) a kimeneti jel és a bemeneti jel között a méréstartományban.
8. ábra. Nemlineáris kapcsolat Hiszterézissel jellemezhető (9. ábra) kapcsolat a kimeneti jel és a bemeneti jel között a méréstartományban.
9. ábra. Nemlineáris kapcsolat
Önellenőrző kérdések
1. Jelölje meg, hogy az alábbi állítások közül melyek igazak a vezérlésre! Nyílt hatásláncú folyamat. Egy visszacsatolás található a folyamatban. Mindig stabil folyamat. A zavaró jeleket nem kell előre ismerni. A kimenő jelet mérik, és a vezetőjellel összehasonlítva annak megfelelően módosítják. Mutassa a visszajelzést
2. Nevezze meg a vezérlés elemeit az alábbi ábra alapján! Írja be az ábrán látható számot a megfelelő megnevezéshez! (A hat számból ötöt kell beírnia!)
Bemeneti egység: Vezérelt szakasz: Mért jellemző: Számítógépes jelfeldolgozás: Feladatjel (beavatkozó el): Elküld
3. Nevezze meg a szabályozás elemeit az alábbi ábra alapján! Írja be az ábrán látható számot a megfelelő megnevezéshez! (A tizenkét számból hetet kell beírnia!)
Jellemző: Szabályozandó berendezés: Beavatkozó szerv: Összehasonlító: Végrehajtó szerv: Vezetőjel: Módosított jellemző: Elküld
4. Jelölje meg, hogy általában mi lehet a végrehajtó szerv bemeneti jele! Hőmérsékletváltozás. Villamos feszültség. Fényhullám. Induktív hatás. Villamos áram. Mutassa a visszajelzést
5. Jelölje meg, mi a jeladók feladata! A különböző fizikai jelek érzékelése és továbbítása. Kimeneti digitális vagy analóg jelek előállítása a szabályozás számára. A működést jellemző diszkrét és analóg jelek biztosítása az irányítás számára. A „van jel” vagy „nincs jel” állapot előállítása az irányítás számára. Mutassa a visszajelzést
6. Jelölje meg, milyen célokból történik a jeladók jeleinek feldolgozása a járműben! Annak érdekében, hogy a jármű motorja optimális üzemanyagfogyasztás mellett működjön. Annak érdekében, hogy a jármű egyes szerkezeti egységei optimálisan üzemeljenek. Annak érdekében, hogy a lehetővé lehessen tenni a jármű nagyobb utas-és üzembiztonságát. Annak érdekében, hogy a jármű szerkezeti elemei minél hosszab ideig működjenek meghibásodás nélkül. Mutassa a visszajelzést
4. lecke. Jármű főegységek jeladói I. A lecke célja A jármű főegységek jeladóinak, és azok működési módjának megismerése.
Követelmények felsorolásból ki tudja választani a termisztor jellemzőit, párosítani tudja egymáshoz a leckében szereplő eszközök nevét és működési elvüket, adott szenzorról el tudja dönteni, hogy az milyen célra használható, adott érzékelési feladathoz hozzá tudja rendelni a megfelelő szenzort.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak hőfok jeladó, termisztor (NTC-ellenállás), terjedési ellenállás-hőmérő, ellenállás hőmérő, hőelem, hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó, Hall-érzékelő, fotoelektromos jeladó, fordulatszám-jeladó, gázpedál helyadó, fojtószelep-állás érzékelő.
4.1 Hőfok jeladók (hőmérséklet-szenzorok) Hőmérséklet megváltozásának mérésére olyan eszközöket használnak, melyek valamelyik fizikai jellemzője változik a hőmérséklettel. Tevékenység: indokolja meg, hogy az alábbi felsorolt helyeken miért kell mérni a hőmérsékletet a gépjárműben! Gépjárművekben alkalmazása a következő helyeken lehet:
motor hűtőfolyadék beszívott levegő motorolaj tüzelőanyag kipufogógáz fékpofák utastér hengerek stb. A szükséges mérési tartomány, az elvárt pontosság, az ár határozza meg, hogy melyik helyen melyiket alkalmazzák. Termisztor (NTC-ellenállás) Tevékenység: Jegyezze meg, hogy a termisztort mely tulajdonsága teszi alkalmassá hőmérséklet mérésére! Az 1. ábra alapján jegyezze meg, milyen jellegű a termisztor karakterisztikája! Fogalmazza meg, mi a termisztor alkalmazásának hátránya! Fémoxidok keverékéből készül. Jellemzője, hogy hőmérséklet emelkedésével ellenállása csökken (1. ábra). NTC – (Negative Temperature Coefficient). A termisztoros érzékelők hőmérséklet – ellenállás karakterisztikája nemlineáris. Felhasználható például a beszívott levegő hőmérsékletének mérésére. Az NTC egy feszültségosztó soros ellenálláslánc része (2. ábra). Ez azt jelenti, hogy hőmérséklet növekedésével csökken az R2 ellenállás és az U2 feszültség. A hőmérséklet mérését így feszültségmérésre lehet visszavezetni. A 3. ábrán termisztorokat láthatunk különböző tokozásban. Előállítása viszonylag olcsó. A termisztorok alkalmazásának hátránya viszont, hogy a rajta átfolyó áram is melegíti, aminek következtében nemlinearitása növekszik.
1. ábra. Az NTC hőmérséklet – ellenállás karakterisztikája.
2. ábra. Ellenállás – feszültség átalakítás
3. ábra. Termisztorok különböző tokozásban Forrás: http://www.ussensor.com/pgthermistors.html
Terjedési ellenállás-hőmérő Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működik a terjedési ellenálláshőmérő! Gyengén adagolt n-típusú szilícium kristályból épül fel. A hőfokfüggés itt (hasonlóan a fémekhez) a töltéshordozók mozgékonyságának megváltozása miatt van. Ez azt jelenti, hogy növekedő hőmérséklet esetén könnyebben mozognak a töltéshordozók, így az ellenállás csökken. Megjegyzés: A félvezető anyagok fontos paramétere a fajlagos ellenállás, amely kapcsolatban van a félvezetőben lévő szabad töltéshordozó mozgékonyságával. A mozgékonyság függ az anyagi minőségtől, de befolyásoló tényező a gyártás során bevitt adalék koncentráció, illetve kristályhibák száma is. A szilícium-termisztorok működésének ez az alapja. Ennek a hőmérséklet-
érzékelő típusnak előnye, hogy az érzékelő (szenzor) és a feldolgozó egység egyetlen szilícium-lapkán helyezhető el, illetve linearitása lényegesen jobb, mint a termisztornak. Így az A/D átalakítás és a kommunikációs interfész kialakítása alacsony költségű. Manapság a szenzor mellett egy mikroprocesszort helyeznek el, amely az A/D átalakítást és a kommunikációt biztosítja. Ezt a kialakítást nevezik „smart sensor” koncepciónak. Ezeket az érzékelőket 200 – 400 K hőmérséklettartományra gyártják. Ellenállás-hőmérők Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működik az ellenállás-hőmérő! Ezek a hőmérsékletmérők általában kerámiára tekercselt huzalok, melynek oxidáció elleni védelméről gondoskodnak. A tekercselt kivitelen kívül a félvezető technológiában alkalmazott vastag és vékonyréteg technológiával is készülnek ellenállás-hőmérők. Az ellenállás-hőmérőkben alkalmazott anyagok ellenállása az alábbi módon függ a hőmérséklettől:
ahol
a referencia hőmérséklet,
α: a lineáris hőmérsékleti együttható, β: a négyzetes hőmérsékleti együttható. Ennek az eljárásnak hátránya a hordozó lap hőtágulásából származó geometriai változás. Néhány tipikus tekercselt huzalos ellenállás-hőmérők alapanyagai és ajánlott hőmérséklet tartományai: réz (-50 – 150 °C) nikkel (-60 – 180 °C) platina (-220 – 850 °C) A tipikus alkalmazási területek gépjárművekben:
1. táblázat Azt, hogy az egyes helyeken milyen szenzort alkalmazzák, függ a szükséges mérési tartománytól, az elvárt pontosságtól, valamint a szenzor árától. Az említett szenzorok közül a legdrágábbak az igényes kivitelű ellenállás-hőmérők. A terjedési ellenállás-hőmérők ára erősen változó. A legolcsóbbak a termisztorok és az egyszerűbb ellenállás-hőmérők, ezért előszeretettel használják őket minden olyan helyen, ahol néhány oC mérési hiba nem kritikus.
Hőelemek (termoelemek) Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működnek a hőelemek! A hőelemek két különböző fémhuzalból készülnek. A két fém egyik végét összehegesztik. Ezt a pontot felmelegítve a huzalpár másik végei között, amennyiben ezeknek a hőmérséklete különbözik az összehegesztett pont hőmérsékletétől, villamos feszültség keletkezik. Ezt a feszültséget termofeszültségnek nevezzük. ahol c arányossági állandó. Méréskor az összehegesztett rész érintkezik a mérendő hőmérsékleti hellyel. A T2 pedig a viszonyítási hőmérsékleti hely. Vázlatos rajza a 4. ábrán látható.
4. ábra. Hőelemes hőmérsékletkülönbség mérés Hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó (bimetálos hőérzékelő) Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működik a hőfokjeladó, és milyen feladatra alkalmas! Másik elnevezése ikerfémes hőérzékelő. Két eltérő hőtágulású fémszalag összehegesztésével készül. Az eltérő hőtágulás az összehegesztett két fémszalag elhajlását eredményezi. Az elhajlás mikrokapcsoló működtetésével szolgáltat villamos jelet, vagy bontja az áramot, tehát kapcsolási jellegű feladatot lát el. Vázlatos rajza a 7.3.14 ábrán látható.
5. ábra. Ikerfémes (bimetálos) hőérzékelő.
4.2 Hall-érzékelő Gépjárművekben alkalmazása számos helyen lehet, például: motor főtengely, gyújtáselosztó, pedálok, kardántengely, stb. Fizikailag mérhetünk vele: fordulatszámot, elmozdulást, gyorsulást, stb. Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működik a Hall-érzékelő! A Hall-effektus azon a fizikai elven alapul, hogy ha egy mágneses térbe helyezett félvezetőlapon áram folyik, akkor az áram irányával párhuzamos felületek között feszültség mérhető. Ezt nevezzük Hall-feszültségnek (UH). A vázlatos elvendezés a 6. ábrán látható.
6. ábra. Hall-érzékelő (Hall-generátor). A Hall-feszültség: ahol: UH : a Hall-feszültség [V], I: az áram [A], B: a mágneses indukció [Vs/m2]. k: konstans (Hall állandó) Ha kezdjük elzárni a mágneses tér útját (B azaz a mágneses indukció csökken), akkor egyre kisebb feszültség keletkezik. Anyaga lehet például gallium-arzenid (GaAs), szilícium (Si), indium-antimonid (InSb). A Hall-érzékelő többek között alkalmas elmozdulás, szöghelyzet és fordulatszám mérésére is. Méréstechnikai alkalmazásokban elmozdulások, szögelfordulások és ezekre visszavezethető mechanikai mennyiségek mérésére is alkalmas. Például erő, nyomaték, nyomás. A járművekben alkalmazása széles skálájú. Példaként megemlíthető, hogy a fékbetét-kopás ellenőrzése szintén Hall-szenzorral történhet. Ekkor a gépkocsinak álló helyzetben kell lennie. Ellenőrzéskor a vezérlőegység a fékbetétet a kiindulási helyzetből a féktárcsa felé mozgatja, vele együtt változik az érzékelőt ért mágneses tér is. A fékbetét vastagsága befolyásolja a Hall-szondát ért mágneses tér nagyságát. Tehát a mágneses térnek a nagysága változik. Ebből számítja ki a vezérlőegység a fékpofák valóságos vastagságát. A fordulatszám mérésével több fizikai mennyiség is mérhető a Hall-szonda közbeiktatásával. A mágneseket, melyek a fluxust biztosítják a Hall-szenzor működéséhez, vagy a forgórészre vagy az állórészre szerelik. Hall-szondás megoldásnál előszeretettel alkalmazzák a fixen felszerelt mágneses sorompóból álló forgó blendés megoldást. Amikor a forgás következtében a blende a sorompón áthalad, akkor megváltozik a Hall-szondát érő mágneses tér. A mérés során azt érzékeljük, hogy adott idő alatt hányszor változott az UH. Egy ilyen elrendezést láthatunk a 7. ábrán.
7. ábra. Hall-szondás fordulatszám mérés Alkalmazási lehetőségek például: konkrét fordulatszám mérése, sebesség-mérése, ventillátor mozgás érzékelése, dugattyúhelyzet meghatározása, lineáris vagy forgó pozícionálás, fékblokkolás érzékelése, üzemanyag szintmérés, stb. A gépjárművekben alkalmazott Hall-érzékelők (Hall-jeladók) nem önmagukban használatosak, hanem Hall IC-ben vannak elhelyezve áramkörökkel kiegészítve. Ilyen kiegészítő lehet például erősítő, jelformáló, a kimeneten kapcsolótranzisztor. Gyújtás jeladóként az ideális jelalak négyszögjel, ezért használnak a kimeneten kapcsolótranzisztort.
4.3 Motorfordulatszám és szöghelyzet jeladók a főtengelyhez és vezérműtengelyhez A fordulatszám és a szöghelyzet érzékelése gépjármű típusonként változik. Lehetséges kivitelezésük történhet a korábban ismertetett Hall-jeladóval , indukciós jeladóval (8. ábra) és fotoelektromos jeladóval. A forgattyústengely szenzorok a fordulatszámot és a forgattyús-tengely szöghelyzetét határozzák meg. Tevékenység: jegyezze meg az indukciós jeladó működési elvét! Az indukciós jeladó esetén a fogazott, ferromágneses anyagból készült impulzuskerék mozgása a záródó mágneses kör mágneses ellenállásának változását idézi elő, így a tekercsben változik a feszültség nagysága.
Ha nagyobb a fordulatszám, nagyobb a keletkezett feszültség. A fogaskerék koszorúnál az üres helyek és a fogak váltakozása megváltoztatja a tekercsben az indukált feszültség jelalakját. Ebből érzékeli a vezérlőrendszer például a főtengely szöghelyzetét.
8. ábra. Indukciós jeladó A vezérműtengely a szelepek nyitását és zárását végzi. A jeladójának (fázisszenzor) feladata, hogy a motorfordulatszám-érzékelő adatait figyelembe véve részt vegyen az első henger helyzetének meghatározásában. Általában Hall-szenzorral működik. Az általa szolgáltatott jelet a gyújtás és befecskendezés időzítéséhez használják fel. Az impulzuskerék fordulatszámának változásával a jeladó kimenetén keletkező jel frekvenciája változik. A jel az ECM egységbe kerül jelfeldolgozásra. A 9. ábrán láthatunk egy vezérműtengely jeladót.
9. ábra. Vezérműtengely jeladó Forrás: http://www.hella.com/hella-hu-hu/assets/media/EE08_05_B_Productoverview_HU.pdf
Tevékenység: jegyezze meg a fotoelektromos jeladó működési elvét! A fotoelektromos jeladó szintén alkalmas fordulatszám- és szöghelyzet adóként. A megoldás 2 LED fényforrást és fényérzékelésre 2 fotodiódát tartalmaz. Egy forgó tárcsa lapjának külső részén fokonként keskeny réseket vágnak. Az egyik LED – fotodióda pár a rések által érzékeli a fordulatszámot. A tárcsán egy bentebb lévő körkerületen (például 4 hengeres motornál) 4 kivágást készítenek. A másik LED – fotodióda pár az egyes hengerek gyújtási időpontjainak vezérléséhez szöghelyzet-információt tud adni. A 4 résből az egyik szélesebb, és ez van hozzárendelve az 1. henger gyújtási időpontjához (10. ábra).
10. ábra. Forgó vezérlőtárcsa kialakítása
4.4 Kerékfordulatszám jeladó Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működő szenzorok alkalmasak a kerékfordulatszám érzékelésére! A kerék kerületi sebességének mérésére szolgál. Lehetséges Hall-jeladóval működő vagy indukciós elv alapján működő. A hajtótengelyekre szerelt szenzor a mágneses tér változását indikálja a fordulatszám miatt, így a kimenő jele változik. A kimenő jel a vezérlőegységbe kerül, amely ABS rendszer esetében kiszámolja a kerekek kerületi sebességét. Így a kerekek nem blokkolnak, a fékhatás optimális lesz. Egy ilyen jeladó látható a 11. ábrán.
11. ábra. Kerékfordulatszám jeladó Forrás: http://www.hella.com/hella-hu-hu/assets/media/EE08_05_B_Productoverview_HU.pdf
4.5 Gázpedál helyadó Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működő szenzorok alkalmasak a gázpedál helyzetének érzékelésére! Több változata létezik. Az érintkezés nélküli gázpedál szenzorok kivitelezhetők Hall-jeladó segítségével is. A gázpedálon elhelyeznek egy mágnest, amely a gázpedál helyzetétől függően változtatja a pozícióját, és ennek megfelelően a kimenetén az elmozdulással arányos villamos feszültség keletkezik. Ez a jel kerül továbbításra a vezérlőegységnek. A Hall-jeladó működését már korábban részletesen tárgyaltuk. Lehetséges indukció elvén működő gázpedálhelyzet érzékelő is. A jeladó egy gerjesztő tekercset és egy vevőtekercset tartalmaz. A gázpedál helyzetétől függően változik az adó és vevő tekercsek közötti csatolás mértéke, így a vevő tekercsben is változik az indukált feszültség. Az ECM kiértékeli a jeleket, és adja ki a jelet például a fojtószelep-állítóhoz. Ellenállásos feszültségosztó (12. ábra), mely a gázpedál helyzetének megfelelő feszültséget állít elő, mely az ECM bemenetére kerül. Így az ECM információval rendelkezik a gázpedál állásáról. Kimeneti jele általában 0,5 V és 4,5 V között változik. Ezt az értéket digitalizálja az ECM bemenete. A gázpedálhelyzet érzékelő rendszer (APP, Accelerator Position Sensor), valamint az ECM figyelembe veszi a gázpedál mozgásának sebességét is a
gyorsítás és a lassítás mértékének befolyásolására az üzemanyag betáplálás mennyiségének szabályozásán keresztül. A gázpedál-helyzet rendszer (APP) az üzemanyag befecskendezés mértékének kiszámítását és szabályozását szolgálja az érzékelő egység jelét felhasználva.
12. ábra. Gázpedál helyérzékelő elvi vázlata.
4.6 Fojtószelep-állás érzékelő (TP-szenzor, Throttle Position Sensor) Tevékenység: jegyezze meg, milyen elven működő szenzorok alkalmasak a fojtószelep állásának érzékelésére! Amikor az autónak „gázt adunk”, akkor a fojtószelepeket nyitjuk. Ha nagyobb gázt adunk, akkor több levegőt engedünk a motornak beszívni. Több levegőhöz több üzemanyag szükséges. A motorvezérlőnek (ECM) kell egy olyan bemeneti információ, hogy mennyire van nyitva a fojtószelep. Tehát szükséges egy olyan érzékelő, amely a fojtószelep tengelyének elfordulásával arányos jelet ad. Ez az érzékelő (TP-szenzor, 13. ábra ) egy olyan forgó potenciométer, amelynek tengelye össze van kötve a fojtószelep tengelyével. Ez a forgó potenciométer a gázpedál helyérzékelőjéhez hasonlóan feszültségosztás arányát változtatja. Kimeneti jele a fojtószelep állásának megfelelő feszültség, és ez kerül a motorvezérlő számítógép bemenetére. Az érzékelés megoldható Hall-szögelfordulás szenzorral is.
13. ábra. Fojtószelep-állás érzékelő Forrás: http://www.hella.com/hella-hu-hu/assets/media/EE08_05_B_Productoverview_HU.pdf
Önellenőrző kérdések 1. Jelölje meg az alábbiak közül a termisztorra jellemző igaz állításokat! A hőmérséklet csökkenésével ellenállása csökken. Karakterisztikája nemlineáris. A rajta átfolyó áram melegítő hatása csökkenti a nemlinearitást. A mérőműszerben az NTC-ellenállás egy feszültségosztó ellenállás része. Mutassa a visszajelzést
2. Jelölje meg, hogy melyik eszköz működési elve a következő: Két, egyik végükön összehegesztett fémből áll. Ha a szabad végek hőmérséklete különbözök az összehegesztett vég hőmérsékletétől, akkor szabad végpontok között feszültség keletkezik.
NTC-ellenállás. Terjedési ellenállás hőmérő. Ellenállás hőmérő. Hőelem. Hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó. Mutassa a visszajelzést
3. Jelölje meg, hogy melyik eszköz működési elve a következő: Két eltérő hőtágulású fémszalag összehegesztésével készül, amelyek a hőmérsékletváltozás hatására elhajlanak, és így egy mikrokapcsolót működtetnek. NTC-elleállás. Terjedési ellenállás hőmérő. Ellenállás hőmérő. Hőelem. Hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó. Mutassa a visszajelzést
4. Jelölje meg, melyik eszköz működési elvére igaz, hogy az összefüggés szerint változó ellenállás alapján mér hőmérsékletet? NTC-elleállás. Terjedési ellenállás hőmérő.
Ellenállás hőmérő. Hőelem. Hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó. Mutassa a visszajelzést
5. Jelölje meg, hogy az alábbi állítások közül melyik kapcsolható a Hall-érzékelő működéséhez! A Hall-elemen átfolyó áramerősség változásakor változik a Hall-feszültség. A mágneses tér indukciójának változásakor változik a Hall-feszültség. A Hall-érzékelőn átfolyó áramerősség változásakor változik a mágneses tér indukciója. A Hall-érzékelőre kapcsolt feszültség változásakor változik a mágneses tér indukciója. Mutassa a visszajelzést
6. Jelölje meg, hogy az alábbi állítások közül melyik kapcsolható az indukciós jeladó működéséhez! Egy tárcsára fokonként keskeny réseket vágnak, amelyek egy elektromágnes előtt elhaladva változtatják annak mágneses terét. A fogazott, ferromágneses anyagú impulzuskerék forgásának hatására tekercsben változik a feszültség nagysága. Egy tárcsára a motor hengerszámának megfelelő számú rést vágnak. A rések egy vasmag előtt haladnak el, ennek hatására egy tekercsben áram indukálódik. Mutassa a visszajelzést
7. Jelölje meg, milyen elven működő szenzorok alkalmasak a gázpedál helyzetének érzékelésére! Termisztor. Hosszváltozáson alapuló hőfokjeladó. Fotoelektromos jeladó. Hall-jeladó. Indukciós elven működő jeladó. Mutassa a visszajelzést
8. Milyen célra alkalmazzák az alábbiak közül a forgó potenciométert? Kerékfordulatszám-jeladó. Motorfordulatszám-érzékelő. Fojtószelep-állás érzékelő. Sebesség mérése. Mutassa a visszajelzést
5. lecke. Jármű főegységek jeladói II. A lecke célja A jármű főegységek jeladóinak, és azok működési módjának megismerése.
Követelmények
A hallgató legyen képes: saját szavaival elmondani az egyes érzékelők működési elvét, felsorolásból kiválasztani az egyes érzékelők tulajdonságait, párosítani egymáshoz az egyes eszközök nevét és működési elvét,
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak kopogásszenzor, lambda-szonda, torlónyomásos légtömegmérő, piezorezisztív, kapacitív és piezoellenállásos gyorsulásmérő, piezoellenállásos nyomásmérő.
5.1 Kopogás-szenzor Tevékenység: Jegyezze meg a piezoelektromos átalakító működési elvét! Fogalmazza meg, hogyan használható fel a piezoelektromos átalakító a kopogásos égés érzékelésére! Kopogás a motorban akkor keletkezik, ha rendellenes égési folyamat zajlik le benne. A keverék egy része robbanásszerűen ég el. Ez függ a hőmérséklet és nyomásviszonyoktól. Az erőssége attól függ, hogy ez a keveréknek mekkora hányada. Következménye lehet az egyes szerkezeti elemek túlzott igénybevétele, ami károsodáshoz vezethet. Általában nagyobb terhelési állapotban keletkezik. A kopogás-szenzor a motorblokk rezgéseit érzékeli. Ez kb. 5 – 10 kHz-es rezgéseket jelent. A kopogásos égés az előgyújtási szög csökkentésével szüntethető meg.
Az érzékelő eleme egy kvarckristály (SiO2), mely nyomóerő esetén deformálódik, és villamos feszültség keletkezik rajta, azaz pozitív és negatív töltések válnak szét a lapon. Ezt nevezzük piezoelektromos átalakítónak. A kristályra a motor rezgéseiből következően változó erő hat, ezért a keletkezett feszültség is változik rajta. A kopogásos égésre tehát a feszültség változásából lehet következtetni. A piezoelektromos hatást lehet fokozni, ha több kristálylemezt helyezünk egymásra. Vázlatos elrendezése az 1. ábrán, fényképe a 2. ábrán látható.
1. ábra. Piezoelektromos hatás Érdemes megemlíteni, hogy nem csak a kvarc (SiO2) mutat piezoelektromos tulajdonságot. Ilyen anyag lehet például még: ZnO, CdS (félvezető/félszigetelő ionos kristályok), LiNbO3 BaTiO3, PVDF (húzott-polarizált poli (vinilidén-fluorid), PZT Pb(Zr,Ti)O3. A piezoelektromos átalakítók előnyei: kis méret, jó dinamikus tulajdonság. Hátránya: elektronikus töltéserősítésre van szükség, statikus hatás mérésére nem alkalmas a töltés kisülése miatt.
2. ábra. Kopogás-szenzor
5.2 Lambda-szonda Tevékenység: Jegyezze meg, milyen célra alkalmazzák a lambda-szondát! Fogalmazza meg, milyen elven működik a feszültség-szonda és az ellenállás-szonda! Jegyezze meg, mik az egyes típusok megfelelő működésének feltételei! A lambda-szonda a kipufogógázban visszamaradó oxigén mennyiségét hasonlítja össze a légkör oxigéntartalmával. Azért van rá szükség, mert az optimális keverékaránnyal csökkenthetjük a káros, környezetszennyező kipufogógáz mennyiségét, mert tökéletesebb az égés. A mért adatok alapján, az oxigéntartalom függvényében a motorvezérlő elektronika változtatja a keverék összetételét. Gyakran oxigén-szenzornak is említik. A lambda-szonda az elnevezését az úgynevezett levegőtényező jeléről (λ) jeléről kapta.
Az elméleti levegőmennyiség az a levegőmennyiség, amely éppen elegendő a hengerbe vezetett üzemanyag elégetéséhez. A λ optimális értéke: 1. A lambda-szondának több fajtája ismert:
feszültség-szonda (oxigén koncentráció különbség szükséges hozzá), ellenállás-szonda (nincs szükség oxigén koncentráció különbségre). A feszültség-szonda érzékelője ZrO2 alapú (cirkónium-oxid) és porózus platina réteggel bevont. A katalizátor előtt és után helyezik el. Vázlatos elrendezése 3. ábrán, fényképe a 4. ábrán látható. Alakja tubus jellegű. A tubus külső rétege a kipufogó csőben érintkezik a kipufogógázban lévő oxigénnel. A tubus belseje pedig a környező levegő oxigénjével érintkezik. A környező levegő oxigéntartalma állandó, a kipufogógázban lévőnél jóval nagyobb. A két helyen lévő oxigén koncentráció közötti különbség a lambda-szonda két elektródja között feszültséget kelt.
3. ábra. Lambda-szonda elhelyezése
4. ábra. Lambda-szenzorok Forrás: http://www.injektor.hu/index.jsp?id=2&main=133&akt=2 A lambda-szonda kimenetén a feszültség (kimeneti jel) körülbelül 0,1 és 0,9 V között változik. Amennyiben a kipufogógáz oxigéntartalma 3 %, akkor a kimeneten 0,1 V a feszültség. Ha az oxigén tartalom ennél kevesebb, a különbség mértékétől függően a feszültség 0,9 V-ig növekszik. Az oxigénkoncentrációra jellemző feszültséget az ECM értékeli ki, és ad parancsot beavatkozásra. Mivel a szenzor 300 °C felett működik, ezért csak
bemelegedés után használható. Ezért fűtéssel látják el. A fűtött lambda-szondák gyorsabb szabályozási folyamatot tesznek lehetővé. Katalizátor felügyelete esetén, a katalizátor után szintén helyeznek el lambdaszondát, melynek jele ugyancsak az EMC-be kerül, így például ellenőrizhető az öregedése. Korszerű gépjárműveknél több lambda-szonda kerül beépítésre, például hengercsoportonként. Az ellenállás-szonda titándioxidból készül. A titándioxid jellemzője, hogy villamos ellenállása a kipufogógázban lévő oxigén mennyiségével arányosan változik. Ha nagyobb az oxigén aránya, akkor ohmos ellenállása növekszik, csökkenő oxigéntartalom a villamos ellenállás csökkenését vonja maga után. Nincs szükség referenciaoxigénre, de a vezérlőegységnek a titándioxidból készült érzékelőt tápfeszültséggel kell ellátni. Ez lehetővé teszi az ellenállásos feszültségosztós megoldás használatát.
5.3 Torlónyomásos légtömegmérő Tevékenység: Magyarázza el a torlónyomásos légtömegmérő működését! A torlónyomásos légtömegmérő vázrajzát az 5. ábrán, fényképét a 6. ábrán láthatjuk. A torlócsappantyúra az érzékelőn átáramló levegő erőt fejt ki egy sprirálrugó ellenében. A torlócsappantyú és egy forgó potenciométer tengelye közös, így a levegő torlónyomása a potenciométert is forgatja. Így elérhető, hogy egy ellenálláslánc, melynek része a potenciométer, feszültségosztás révén mérje a beáramló levegő térfogatáramát.
5. ábra. Torlónyomásos légnyelésmérő vázrajza Forrás: http://webshop.langauto.hu/kepek/muszaki/5.2.pdf
6. ábra. Légnyelésmérő fényképe Forrás: http://webshop.langauto.hu/kepek/muszaki/5.2.pdf
5.4 Gyorsulás jeladók Tevékenység: Fogalmazza meg, milyen elven történik a gyorsulás mérése! Jegyezze meg, hogy az egyes jeladók milyen módon érzékelik a deformációt! A gyorsulás-érzékelőknek többfajta felhasználása ismert. Alkalmazhatók: gépjármű gyorsulásának meghatározására, pl. ABS (blokkolásgátló rendszer), ESP (elektronikus stabilitásprogram) működtetésére, felfüggesztési rendszerek szabályozására, légzsák, övfeszítő működtetésére, ütközés-érzékelésre, vezetési stílus figyelésére, stb. Az egyes helyeken más és más érzékenységű és méréshatárú gyorsulásmérőket használnak. Erre azért van szükség, mert az érzékenység és a méréshatár egymás rovására megy. A gyorsulás mérését erőmérésre vezetik vissza. A mérést az teszi lehetővé,
hogy az erő és az általa okozott deformáció (az anyag rugalmasság határáig) lineáris kapcsolatban van. Korábbi érzékelőkben nyúlásmérő bélyegekkel érzékelték a gyorsulásból eredő deformáció mértékét. A nyúlásmérő bélyeg műanyag fóliába ágyazott vékony ellenálláshuzal vagy ellenállás réteg, amelynek villamos ellenállása változik nyomott vagy húzott állapotban. A húzott vagy nyomott állapot erő hatására jön létre. Az erő gyorsulás hatására jön létre (7. ábra). A bélyeget mindig oda helyezzük el, ahol a gyorsulásból származó erő deformációt tud létrehozni.
7. ábra. Gyorsulás jelátalakító egyszerűsített modellje A hőmérséklet változásából eredő villamos ellenállás változást egy keresztirányú kompenzáló bélyeggel hatástalanítják 8. ábra. Ezekben a megoldásokban a deformációból eredő ellenállások megváltozásai egy hídkapcsolásban a kimeneten feszültségváltozást eredményeznek (9. ábra). A gépjárműtechnikában jelenleg már nem használatosak, csak az alapelv miatt tárgyaljuk, mivel ezen alapszik a piezorezisztív megoldás is.
8. ábra. Nyúlásmérő bélyeg kompenzáló kivitelben
9. ábra. Hídkapcsolás
Gépjárművekben manapság alkalmazott tipikus jeladók: piezorezisztív érzékelés, piezoelektromos hatás mérése, kapacitás változás mérése. Piezorezisztív érzékelésnél nyúlásmérő bélyegek helyett piezorezisztív ellenállások érzékelik a deformációt. Ezen ellenállások jellemzője, hogy a deformáció hatására változik az ellenállás értéke. Anyaguk általában szilícium (Si). A szilícium rugalmassági állandója hasonló a rugóacéléhoz. 3 dimenziós (3D) térben történő gyorsulások mérésére egy tokba helyeznek el a három koordináta-tengely irányába működő 3 gyorsulásérzékelőt. A kapacitív szenzoroknál a gyorsulásból eredő kapacitás megváltozása eredményezi a kimeneti feszültséget szintén a hídkapcsolásba helyezett elrendezés kimenetén. A megoldásnál egy nagy felületű membrán alkotja a kapacitás egyik fegyverzetét. A másik fegyverzet egy nyomásálló házban szigetelten elhelyezkedő vastag lemez. A membrán erő hatására deformálódik, közeledik vagy távolodik a fix elektródához, így a kapacitás megváltozik, hiszen a síkkondenzátor kapacitása fordítottan arányos a fegyverzetek távolságával. Az érzékelőt nagyfrekvenciás hídba kötve a kapacitás változása az RF feszültség változásaként mérhető. Ellentétben a piezorezisztív elven alapuló megoldással, itt a hídkapcsolást váltakozó feszültséggel kell táplálni (10. ábra), így a kimeneten szintén váltakozó feszültség jelenik meg, melyet a szenzoron belül vagy analóg egyenfeszültséggé, vagy digitális jellé alakítanak.
10. ábra. Kapacitív hídkapcsolás Piezoelektromos gyorsulásmérő esetén tipikus esetben kvarcot (SiO2) használnak. Deformáció esetén két szemben lévő lapon feszültség keletkezik. Működése hasonló a kopogás-szenzornál bemutatottakhoz. Úgy is fogalmazhatunk, hogy mechanikai feszültséget érzékel. Ez a megoldás statikus gyorsulás mérésére nem alkalmas, mivel a keletkezett villamos töltések kisülnek a környezeten.
5.5 Nyomásérzékelők Tevékenység: fogalmazza meg a piezoellenállással és az indukciós tekerccsel történő nyomásmérés elvét. Nyomásmérő szenzorokat alkalmaznak például pneumatikus és hidraulikus rendszerekben, motor szívóhatás, keréknyomás, kompresszió, féknyomás, égéstérnyomás, lengéscsillapító nyomás mérésére, stb. A nyomás érzékelésének egyik eleme egy rugalmas membrán. A nyomás hatására kialakuló deformáció több módon is mérhető. Ez lehet nyúlásmérő bélyeges, piezorezisztív, piezo-elektromos és kapacitív deformáció-érzékelés. A nyomásból eredő deformációt például mérhetik a membránra felragasztott nyúlásmérő bélyegekkel, melyeket hídkapcsolásba kötnek. A nyúlásmérő bélyeg anyaga lehet polikristályos adalékolt szilícium. A nyomásmérők esetében manapság a szilícium-alapú szenzorok terjednek el egyre jobban. Piezoellenállásos megoldás elrendezését a 11. ábrán láthatjuk.
11. ábra. Nyomásérzékelő piezoellenállással Szívócsőben például nyomásérzékelő piezoellenállással mérik a nyomást. A vákuum és a szívócső közötti nyomáskülönbség erőt fejt ki a membránra, melynek eredményeként megváltozik a piezoelem villamos ellenállása. Az ellenállás megváltozása egy áramkörben feszültségváltozást idéz elő. Így a szívócsőnyomás értéke feszültségként jelenik meg, mely bekerül a számítógépes kiértékelésbe. Megjegyezzük, hogy korábban szívócső nyomásérzékelőt indukciós tekerccsel (12. ábra) is megvalósítottak. Nyomásváltozáskor membrán egy tekercsben elmozdított egy vasmagot. Ennek eredményeként változott a tekercs induktivitása (L), és ez az induktivitás-változás került kiértékelésre.
12. ábra. Nyomásérzékelő indukciós tekerccsel
Önellenőrző kérdések 1. Jelölje meg, melyik eszközre jellemző, hogy nyomóerő hatására villamos feszültség keletkezik rajta? A feszültségszondára. Az ellenállás-szondára. A piezoelektromos átalakítóra. A nyúlásmérő bélyegre. A lambda-szondára. Mutassa a visszajelzést
2. Jelölje meg, melyik eszközre jellemző, hogy az oxigén-koncentráció változásának hatására változik a villamos ellenállása? A feszültség-lambda-szondára. Az ellenállás-lambda-szondára. A piezoelektromos átalakítóra. A nyúlásmérő bélyegre. Mutassa a visszajelzést
3. Jelölje meg, melyik eszközre jellemző, hogy a rajta átáramló levegő egy forgó potenciométert mozgat? A lambda-szondára. A torlónyomásos légtömegmérőre. A kopogásszenzorra. A nyomásérzékelőre.
Mutassa a visszajelzést
4. Jelölje meg, az alábbiak közül melyik mennyiség mérését végzik ellenálláshuzallal, amelynek ellenállása változik húzott, vagy nyomott állapotban? Oxigén-koncentráció. A motor rezgéseinek frekvenciája. Gyorsulás. Levegő térfogatárama. Nyomás. Mutassa a visszajelzést
5. Jelölje meg, melyik gyorsulásérzékelőre igaz, hogy egy mozgó membránnak egy fix elektródához viszonyított helyzete alapján mér gyorsulást? Piezoelektromos. Kapacitív. Piezorezisztív. Mutassa a visszajelzést
6. Jelölje meg, milyen elven működik a kopogásszenzor! A motor rendellenes rezgéseit lambda-szonda érzékeli. A motor rendellenes rezgéseit feszültségszonda érzékeli.
A motor rendellenes rezgéseit piezoelektromos egység érzékeli. A motor rendellenes rezgéseit nyúlásmérő bélyeg érzékeli. Mutassa a visszajelzést
7. Jelölje meg az alábbiak közül a feszültség-lambda-szondára igaz állításokat! A kipufogógázban levő oxigén mennyiségét hasonlítja a levegő oxigéntartalmához. Az oxigén-koncentráció függvényében változik a villamos ellenállása. Egyik elektródája érintkezik a levegő oxigénjével. Csak 300 °C felett működik. Tápfeszültséggel kell ellátni. Mutassa a visszajelzést
8. Magyarázza el, hogyan működnek az alábbi eszközök: torlónyomásos légtömegmérő, kopogásszenzor, lambda-szonda, piezorezisztív, kapacitív és piezoellenállásos gyorsulásmérő, piezoellenállásos nyomásmérő.
6. lecke. Jármű főegységek jeladói III. A lecke célja A jármű főegységek jeladóinak, és azok működési módjának megismerése.
Követelmények A hallgató legyen képes: saját szavaival elmondani, hogyan működnek az egyes jeladók és érzékelők, saját szavaival elmondani, hogyan lehet nyomatékot mérni torziós tengely segítségével, saját szavaival elmondani, hogyan lehet a magnetoelasztikus elv alapján erőt mérni! felsorolásból kiválasztani az egyes szenzorok és jeladók működési elvét, adott érzékelő működési elve alapján eldönteni, hogy az milyen mennyiség érzékelésére alkalmas.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak kormány-elfordulás szenzor, ütközés- vagy gyorsulás-lassulás szenzor, erőmérés, magnetoelasztikus elv, nyomatékmérés, perdületszenzor, kormányelfordulás-szenzor, szintmérő szenzor, eső-fény szenzor.
6.1 Kormány-elfordulás szenzor
Tevékenység: fogalmazza meg, hogyan működik a kormány-elfordulás szenzor! Elvileg a szögelfordulás szenzorok valamennyi változata lehetséges megoldást kínál. A következőkben bemutatandó kormány-elfordulás szenzor változat, optikai sorompó elvén működik. Kormányoszlopra szerelik fel. Vázlatos elrendezése az 1. ábrán látható. A kormányzás szögét méri.
1. ábra. Kormány-elfordulás szenzor Ha a kormánykerék elfordul, akkor a forgó kódtárcsa nyílásain fény jut az optikai érzékelőre, és ez feszültséget hoz létre. A kormánykerék elfordulása során az elfordulás mértékétől függően keletkezett feszültség jellemzi a kormány elfordulásának szögét, és ez hordozza az információt a vezérlőegység számára.
6.2 Ütközés- vagy gyorsulás-lassulás szenzorok Tevékenység: fogalmazza meg, hogyan érzékeli a lassulást az ütközésszenzor! Számos megoldás létezik. Ezek a szenzorok a gépjármű elején és oldalaiban vannak elhelyezve. A gépjármű elején lévő érzékelők mindig duplán állnak rendelkezésre. A tömegtehetetlenség elve alapján működnek. Például egy lehetséges megoldás, hogy ütközéskor egy súlytárcsa rugó ellenében elmozdul, és egy érintkezőt zár, amely működteti a légzsákot. A légzsák passzív védelmet jelent a gépjárművezető vagy utas részére. 25 km/h sebesség feletti frontális ütközéskor egy gázgenerátor 30 ms alatt felfújja a légzsákot. Korszerűnek lehet tekinteni a kapacitásváltozás elvén működő megoldást.
Ebben az esetben egy szilíciumtömeg tehetetlensége váltja ki ütközéskor a kapacitásváltozást. A légzsák működtetésének blokkvázlatát a 2. ábra mutatja.
2. ábra. Légzsák működésének blokkvázlata
6.3 Erőmérés Tevékenység: jegyezze meg, mit értünk magnetoelasztikus mérési elven, és ez hogyan használható fel erő mérésére! Az erőmérő jeladók alkalmazhatósága gépjárművekben széles skálájú. A mérés célja lehet: tengelyterhelés, hajtó- és fékezőnyomaték, kormány- és kormányszervo nyomaték, pedálerő, súlyterhelés, beszorulás elleni védelem elektromos ablakemelőknél, stb. A mérés magnetoelasztikus elven történik. Erő hatására a testekben húzó- és nyomó feszültségek jönnek létre. A mechanikai feszültség hatására megváltozik az anyag relatív mágneses permeabilitása (μr), lásd 3. ábra. (A relatív permeabilitás mértékegység nélküli szám, amely megmutatja, hogy a mágneses indukció hányszor lesz nagyobb, ha a teret nem vákuum , hanem valamilyen anyag tölti ki.) A permeabilitás-változások váltakozó mágneses tér alkalmazásával jól detektálhatók, de figyelembe kell venni, hogy a mágneses tér anyagba történő behatolása frekvenciafüggő. A mérési eredményt csak az a mechanikai feszültség idézi elő, amely a mágneses tér által behatolt tartományban van. Mérés során egy tekercset helyeznek el az erőhatásnak kitett, mérendő testen. Mivel változik a mechanikai feszültséggel rendelkező test relatív mágneses permeabilitása (μ), ezért változik a tekercs L önindukciós tényezője. Az önindukciós tényező változását váltakozó villamos feszültség mérésére vezetjük vissza.
3. ábra. Magnetoelasztikus mérési elrendezés
6.4 Nyomatékmérés Tevékenység: fogalmazza meg, milyen elven lehet szögméréssel forgatónyomatékot mérni! A forgatónyomaték mérésekor az érzékelőket az erőátvitelbe kell beiktatni. A gépjárművek esetében a jeladóba vezetett erőket nagyon pontosan kell mérni. A forgónyomaték szenzoroknál szög és mechanikai feszültségmérő módszereket különböztethetünk meg. A szögelfordulást mérő eljárásoknál egy bizonyos hosszúságú torziós tengelyre van szükség, melynél a torziós szög meghatározható. A kormány nyomatékérzékelésére főleg a szögmérési elvet alkalmazzák. Szögmérés esetében a torziós tengely mindkét végén egymástól független inkrementális (4. ábra) fordulatszám szenzort helyeznek el, és mérik az elfordulást. Az inkrementális forgójeladók általában mechanikai, optikai, vagy mágneses érzékelés elvén működnek. Az eszköz kialakulásakor elsősorban mechanikai, majd később optikai elven működő eszközöket gyártottak. Napjainkban egyre nagyobb számban jelennek meg a mágneses elven működő forgójeladók. Az optikai elv esetében egy fényforrás (pl. LED) által kibocsátott fény áthalad például egy üvegtárcsa sugár irányban elhelyezett vonalai közötti átlátszó résen. A tárcsa ellentétes oldalán egy fényérzékeny eszköz érzékeli a tárcsán átjutó fényt. Kimenetén feszültség impulzus sorozat jelenik meg. A mágneses elven működő inkrementális forgójeladókban szintén a tengelyhez rögzített
tárcsa elfordulását érzékelik. A mágneses mező változását Hall elemmel mérik.
4. ábra. Inkrementális tárcsa M = constans · l · (φ1 - φ2) , ahol M a forgatónyomaték, l a tengely hossza, φ1 és φ2 a tengely két végének szögelfordulása.
6.5 Perdület-szenzor Tevékenység: jegyezze meg a perdület-szenzor működséi elvét! A perdületsebesség-érzékelők (girométerek) az autó függőleges tengelye körüli elfordulást érzékelik. Hasznos információt adnak kisodródásnál, illetve kanyarban. További alkalmazási területe van légzsák-vezérlő egységekben és borulás esetén. Korszerű megoldásnak tekinthető a Coriolis-elv alapján működő rezgő girométer. (CVG = Coriolis Vibrating Gyros). A mérés kiértékelése kapacitív úton történik fésűs struktúra segítségével (5. ábra). Az 1-es és 2-es számmal jelölt két fésűs kialakítású elektród között (az ábrán a kékkel és a pirossal látható részek), valamint a 2-es és 3-as számmal jelölt elektróda között változik a kapacitás. A 2-es és 3-as elekródák között változik a távolság a Coriolis erő hatására, ha van Ω szögelfordulás. A 3-as elektróda fixen van. A 3-as és a 2-es elektródának a távolsága változik, mert a 2-es elektróda zöld körrel jelölt papírlapra merőlegesen hajlik el. Ezért a Cdetektáló kapacitás értéke változik.
5. ábra. Perdület-szenzor vázlatos részlete Navigáció esetében a piezoelektromos hangvilla perdület-szenzort alkalmazzák. Működés során a hangvillát rezgésbe hozzák (kb. 2 kHz). Amikor az autó egyenes pályán halad, akkor a Coriolis gyorsulás nem hat a hangvillára, kanyarodáskor viszont igen, megváltoztatja a hangvilla rezgési síkját. Ez piezoelemekben villamos váltakozó feszültséget kelt, melyet az elektronika juttat el a navigációs számítógéphez.
6.6 Szintmérő-szenzor Tevékenység: fogalmazza meg a kapacitív és az ultrahangos szintmérés elvét! Szintmérő-szenzorral olaj, fékolaj, hűtővíz, üzemanyag, ablakmosó folyadék szintjelzését mérhetik. Korábbiakban mozgó alkatrésszel mérték az említett jellemzőket, manapság viszont a mérőeszköz nem tartalmaz mozgó alkatrészt, így megbízhatóságuk jóval nagyobb. Folyadékszint mérésére elterjedt megoldás a kapacitív, illetve ultrahangos kivitel. Kapacitív elvű méréskor a fegyverzetek közötti kapacitás változik meg, ha csökken a folyadék mennyisége. A kapacitás függ attól, hogy a fegyverzetek között levő anyag eredő dielektromos állandója (permittivitása) mekkora. A 6.
ábránál látható, hogy két sík elektróda között az εr2-vel jellemezhető dielektrikum magassága csökken, akkor az εr1-el jellemezhető anyag jobban kitölti a fegyverzetek közötti teret. ε0 a vákuum, εr1 a levegő, εr2 pedig a folyadék dielektromos állandója (permittivitása). Az eredő kapacitást 2 darab párhuzamos kondenzátor eredőjeként számíthatjuk ki.
Az A1 és A2 a szemben lévő felületek nagysága, d pedig a köztük lévő távolság. A folyadékszint változásakor az A1 és A2 felületek változnak. Ezért változik az eredő kapacitás, mely jellemző a folyadék szint magasságára.
6. ábra. Kapacitív folyadékszint mérő Ultrahangos kivitel esetén a parkolást elősegítő rendszerhez hasonlóan ultrahangos távolságmérő szenzorokat alkalmaznak. A tartály teteje és a folyadékszint közötti távolságot mérik. Ezek a távolságérzékelők olyan piezoelektromos elemek, melyek képesek ultrahang keltésére, és képesek a folyadék felületéről visszavert ultrahang érzékelésére.
6.7 Eső-/fény szenzor Tevékenység: fogalmazza meg, hogyan működik az esőszenzor!
Az eső-/fény szenzorok a visszapillantó tükör közelében a szélvédő belső oldalán helyezkednek el. Az esőszenzor feladata, hogy indítsa el az ablaktörlőt, és az esőmennyiségnek megfelelően vezérelje a törlés sebességét. Az esőszenzor esetében egy világítódióda fényt bocsát ki a szélvédő-üvegre. A meghatározott szögben beeső fény a fénytörésnek megfelelően az üveg-levegő határrétegről visszaverődik, és a visszavert fény egy fotodiódába kerül. Amennyiben vízcseppek találhatók a szélvédőn, akkor a fény egy része szóródik, így kevesebb fény jut az azt érzékelő diódába. Ez a változás indítja el az ablaktörlőt (7. ábra).
7. ábra. Esőszenzor szélvédő üveghez Az esőszenzor mellé fényszenzort is helyeznek, melynek funkciója a környezeti fényviszonyok detektálása. Ez például praktikusan felhasználható sötétedés esetén, illetve alagútba történő behajtásnál. A fényszenzor feladata, hogy sötétedés esetén automatikusan lámpát kapcsoljon. A szenzor kivitelezésekor egy szenzorban több fotodiódát alkalmaznak. Kiegészítő tananyag Néhány gondolat a fényérzékeny szenzorelemekről A fotóelemek, fotódiódák és a fotótranzisztorok működése között elvi különbség nincs, csak üzemmódjukban különböznek egymástól. Elvi működésük alapja a fotóelektromos effektus. A fotoellenállás egy olyan passzív elem, melynek megvilágítás hatására csökken az ellenállása. Alapanyaga félvezető. Másik elnevezése fotokondukciós cella. Fény hatására elektron – lyuk párok képződnek, mely a vezetőképességet növeli. Anyagai: Kadmium-szulfid-szelenid (CdSSe) az emberi szem érzékenységét jól követi. A kadmium-szelenid (CdSe), a kadmium-szulfid (CdS) érzékenysége szintén a látható fény tartományába esik, de nem az emberi szem spektrális érzékenységét adja vissza. Példaként érdemes megemlíteni, hogy gyakorlatban a CdS fotoellenállás
értékei különböző megvilágítás esetén: „sötét” ellenállása > 2 MΩ, „normál” ellenállása ~ 3 kΩ, „napfény” ellenállása ~ 120 Ω. Szilícium (Si), germánium (Ge). Érzékenysége az infravörös közeli tartományba esik. Infravörös tartományban érzékeny fotoellenállás például az ólom-szulfid (PbS), indium-antimonid (InSb) Fotoellenállás működtetése általában feszültségosztó ellenállás hálózatban történik. Kapcsolási rajza a 8. ábrán látható. Az RF ellenállás értéke megvilágítás hatására csökken, így feszültség értéke az RF fotóellenálláson is kisebb lesz.
8. ábra. Fotóellenállás feszültségosztó hálózatban A fotódióda „pn” átmenetes eszköz. Ez azt jelenti, hogy a IV vegyértékű alapanyagot, például szilíciumot „p” réteg kialakítása esetén III vegyértékű anyaggal szennyezik, míg „n” réteg kialakítása esetén V vegyértékű anyaggal. Ez a két réteg egymással érintkezve pn átmenetet képez. Fény hatására fotoáram generálódik. A fotódióda jelölése a 9. ábrán látható.
9. ábra. Fotodióda jelképi jelölése A fotodióda áramát feszültséggé alakítják, és kerül további feldolgozásra. A fototranzisztor „npn” átmenetű 3 rétegből álló eszköz. A fény hatására keletkezett fotoáram a tranzisztor erősítése miatt felerősítve jelenik meg a kimeneten. Működése csak szűkebb megvilágítás-tartományban lineáris.
Önellenőrző kérdések 1. Jelölje meg, hogy milyen jellemző érzékelése történik a következő elven: egy súlytárcsa rugó ellenében elmozdul, és zár egy érintkezőt. Erő. Nyomaték. Lassulás (ütközés). Perdület. Folyadékszint. Mutassa a visszajelzést
2. Jelölje meg, milyen elven mérjük a kormánykerék elfordulásának szögét! Egy fényforrás és egy optikai érzékelő között egy kódtárcsa mozdul el. A tárcsa résein átjutó fény az elfordulással sebességével arányos feszültséget kelt az optikai érzékelőben. Egy fényforrás és egy optikai érzékelő között egy kódtárcsa mozdul el. A tárcsa résein átjutó fény az elfordulással arányos feszültséget kelt az optikai érzékelőben. A kormánykerék egy torziós tengelyt forgat. A tengely két végén mérjük a szögelfordulást. A szögek különbsége arányos a kormány elfordulásának szögével. A kormánykerék egy torziós tengelyt forgat. A tengely két végén mérjük a szögelfordulást. A szögek összege arányos a kormány elfordulásának szögével. Mutassa a visszajelzést
3. Jelölje meg, milyen elven működik a magnetoelasztikus erőmérés!
Az erőhatásnak kitett tekercs relatív mágneses permeabilitása, ezzel együtt önindukciós tényezője változik. A mágneses tér változtatásával érzékeljük az önindukció változását. Az erőhatásnak kitett tekercs önindukciós tényezője változik. A tekercs körül elhelyezkedő mágnese tér változása alapján érzékeljük az önindukció változását. Az erőhatásnak kitett test relatív mágneses permeabilitása, ezzel együtt önindukciós tényezője változik. A test körül elhelyezkedő tekerccsel érzékeljük az önindukció változását. Az erőhatásnak kitett test relatív mágneses permeabilitása, ezzel együtt a test körüli tekercs önindukciós tényezője változik. A tekerccsel érzékeljük az önindukció változását. Mutassa a visszajelzést
4. Jelölje meg az alábbiak közül azt az állítást, amely a legpontosabban írja le, milyen elven működik az eső/fény szenzor, amely fotodiódát és világító diódát tartalmaz! Ha víz van a szélvédőn, akkor a világítódióda által kibocsátott fény útja megváltozik, nem a fotodiódába verődik vissza, ennek hatására indul be az ablaktörlő. Ha víz van a szélvédőn, akkor a világítódióda által kibocsátott fényből a fotodiódába kevesebb fény verődik vissza, ennek hatására indul be az ablaktörlő. Ha víz van a szélvédőn, akkor a víz a világítódióda által kibocsátott fényt több fotodiódába szórja szét, ennek hatására indul be az ablaktörlő. Ha víz van a szélvédőn, akkor a világítódióda által kibocsátott fényből több verődik vissza a fotodiódába, ennek hatására indul be az ablaktörlő. Mutassa a visszajelzést
5. Jelölje meg, az alábbiak közül melyik állítás írja le legpontosabban a kapacitív folyadékszint-mérés elvét!
A folyadékba két síkkondenzátor merül. A fegyverzetek közötti folyadékszint magassága befolyásolja a kondenzátorok kapacitását. Kapacitások különbségéből lehet a folyadékszint magasságára következtetni. A folyadékba két síkkondenzátor merül. A fegyverzetek közötti folyadékszint magassága befolyásolja a kondenzátorok kapacitását. Kapacitások különbségéből lehet a folyadékszint magasságára következtetni. A folyadékba egy síkkondenzátor merül. A fegyverzetek közötti folyadékszint magassága csökkenti a kondenzátor kapacitását. Kapacitás értékéből lehet a folyadékszint magasságára következtetni. A folyadékba egy síkkondenzátor merül. A fegyverzetek közötti folyadékszint magassága befolyásolja a kondenzátor két részének kapacitását. Kapacitás értékéből lehet a folyadékszint magasságára következtetni. Mutassa a visszajelzést
6. Ismertesse, hogyan működnek az alábbi szenzorok: kormány-elfordulás szenzor, ütközés- vagy gyorsulás-lassulás szenzor, perdületszenzor, kormányelfordulás-szenzor, szintmérő szenzor, eső-fény szenzor.
7. Fogalmazza meg, hogyan lehet a magnetoelasztikus elv alapján erőt mérni!
8. Fogalmazza meg, hogyan lehet nyomatékot mérni torziós tengely
segítségével!
Modulzáró feladatok 1. Nevezze meg a szabályozás elemeit az alábbi ábra alapján! Írja be az ábrán látható számot a megfelelő megnevezéshez! (A tizenkét számból hetet kell beírnia!)
Jellemző Szabályozandó berendezés Módosított jellemző Végrehajtó szerv Beavatkozó szerv Összehasonlító Vezetőjel Elküld
2. Jelölje meg, hogy általában mi lehet a végrehajtó szerv bemeneti jele! Hőmérsékletváltozás.
Villamos áram. Villamos feszültség. Fényhullám. Induktív hatás. Mutassa a visszajelzést
3. Jelölje meg, mi a jeladók feladata! A különböző fizikai jelek érzékelése és továbbítása. Kimeneti digitális vagy analóg jelek előállítása a szabályozás számára. A működést jellemző diszkrét és analóg jelek biztosítása az irányítás számára. A „van jel” vagy „nincs jel” állapot előállítása az irányítás számára. Mutassa a visszajelzést
4. Jelölje meg az alábbiak közül a termisztorra jellemző igaz állításokat! A hőmérséklet csökkenésével ellenállása nő. Karakterisztikája lineáris. A rajta átfolyó áram melegítő hatása csökkenti a nemlinearitást. A mérőműszerben az NTC-ellenállás egy feszültségosztó ellenállás része. Mutassa a visszajelzést
5. Jelölje meg, hogy az alábbi állítások közül melyik kapcsolható a Hall-érzékelő működéséhez! A Hall-érzékelőn átfolyó áramerősség változásakor változik a mágneses tér indukciója. A Hall-érzékelőre kapcsolt feszültség változásakor változik a mágneses tér indukciója. A Hall-elemen átfolyó áramerősség változásakor változik a Hall-feszültség. A mágneses tér indukciójának változásakor változik a Hall-feszültség. Mutassa a visszajelzést
2. modul: Mechatronikai rendszerek az autóban Bevezetés A járművek mechatronikai rendszerei részben önálló egységek, részben pedig a jármű teljes egészére vagy pedig a jármű működésének nagy részére kiterjednek. Az önálló egységek sem működnek elszigetelten: a központi kezelő- vezérlőberendezések összehangolják a kommunikációs rendszerekkel összekapcsolt alrendszereket.
A teljes autóelektronika (A kép nagyobb változatát itt találja!) Forrás: http://www.fokus.fraunhofer.de/de/motion/_images/_projekte/MESA_auto.jpg
Az ábrán látható legfontosabb egységek: SG=szabályzó egység (SteuerGerät) ZAB=szórakoztató elektronika KESSY= elektronikus nyitási és indítási rendszer (Keyless Entry Start System=kulcs nélküli nyitási és indítási rendszer) ADR=automatikus távolság szabályzó CDC=cd-csere vezérlés DSP=digitális hangfeldolgozás Önálló egység pl. a központi zár, amely látszólag teljesen függetlenül működik a többi egységtől, de működtetése számos, a többi egység működését kísérő paramétertől: pl. gyújtáskapcsolótól, a bent ülő utasoktól stb. függ. Az egész járműre kiterjedő mechatronikai egység pl. az ESP jármű stabilizáló rendszer, amely az egyes fődarabok mechatronikai rendszerére épül, és azok működését úgy hangolja össze, hogy a jármű minden életszerű forgalmi helyzetben biztonságos maradjon.
1. lecke. Az autók mechatronikájának áttekintése, főbb fogalmak A lecke célja A mechatronika autóban betöltött szerepének és a mechatronikai rendszerek autókban használt fajtáinak megismerése.
Követelmények A hallgató legyen képes: felsorolásból kiválasztani a jármű mechatronikai egységeit, felsorolásból kiválasztani, hogy miért mechatronikai rendszer az autó szabadkézzel lerajzolni egy autó mechatronikai rendszerének elvi blokkdiagramját.
Időszükséglet
A tananyag elsajátításához körülbelül 30 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak Mechatronika Gépészet Villamosság és elektronika Számítástechnika-informatika Járműszerkezetek
1.1 A mechatronika fogalma Tevékenység: jegyezze meg a mechatronika fogalmát! Mechatronika = gépészet+villamosság+elektronika+informatika+irányítástechnika A mechatronika a gépészet, az elektronika és a számítógépes irányítás egymás hatását erősítő integrációja. (EU-definíció)
1. ábra. A mechatronika elemei
Gépészet: mechanika, áramlástechnika, hidraulika, pneumatika, pirotechnika Elektrotechnika: hajtások, aktuátorok, villamos hálózat Elektronika: jeladók, kisfeszültségű hálózatok, erősítők, analóg rendszerek Informatika: hardver és szoftver Irányítástechnika: szabályzás és vezérlés, kommunikáció Tevékenység: szabadkézzel rajzolja le az alábbi ábrát, tanulja meg a különböző színnel jelölt egységek nevét és kapcsolataikat!
2. ábra. A jármű mechatronikai rendszerének elvi blokkdiagramja A járműben számos hasonló felépítésű mechatronikai rendszer van. Ezekbe a rendszerekbe a felhasználó a gépészeten vagy az elektronikus egységen keresztül avatkozik be (2. ábra, zöld nyíl). Az eredményt jelentő végrehajtás (piros nyíl) a gépészeti illetve a villamos rendszerben történik. A folyamatban a szabályzás, irányítás az informatikai egységben zajlik, amit az elektronika csatol a villamos és gépészeti elemekhez (szürke nyilak). Az egyes informatikai egységek a BUS rendszeren kommunikálnak egymással (sárga nyilak) A járműben nagy mechatronikai rendszer (sárga négyszög) pl. a motor és az automatikus kapcsolású sebességváltó. A fenti ábra szerinti séma ezekre is vonatkoztatható: a motor elektronikai rendszerébe az elektronikus gázpedálon (e-gáz) keresztül (zöld nyíl) avatkozik be a gépkocsivezető, aminek az elektronika által átalakított jelét az informatikai rendszer feldolgozza, és más jeladók jelével együtt felhasználja a megfelelő időzítésű és mennyiségű tüzelőanyag hengerbe juttatására. A motor vezérlőegység (ECU) kommunikációs (CAN-BUS) kapcsolatban van (sárga nyíl) a sebességváltó vezérlővel (TCU) amely a sebességváltó belső jelei, az előválasztó kar és a motorból érkező információk alapján kapcsolja a megfelelő sebességi fokozatot. Mindkét egység eközben a BUS hálózaton (sárga nyíl) jeleket kap és ad a többi járműrendszernek: fékberendezésnek, kormánynak stb, amelyeket további
blokkok (sárga négyszögek) reprezentálhatnak. Mivel a teljes mechatronikai rendszert az elektronika „élteti”, ez áll a rendszer központjában, a mechatronikát sokszor azonosítják az elektronikával, illetve minden olyan rendszert, amelyben elektronika van, mechatronikának neveznek. Ez azt jelenti, hogy a mechatronikai rendszerekben jelenleg az elektronika a legfontosabbnak tartott egység, ennek a fejlesztése történt a legintenzívebben a járműtechnika legutóbbi korszakában. Teljes autóelektronikai rendszer látható a 3. ábrán.
3. ábra Elektronikát tartalmazó egységek az autóban Mechatronikai rendszerek, önálló informatikával rendelkező egységek: Kormányrendszer= EAPS (Electric Assist Power Steering) steerby-wire=mechanikus kormánykerék-kormányzott kerék kapcsolat nélküli kormányberendezés CVT (Continously Variable Transmission) =folyamatosan változtatható áttételű automatikus hajtómű Aktív kerékfelfüggesztés=Active Suspension Elektronikusan vezérelt fék=Electric Brake Nem önálló mechatronikai rendszerek, a motor elektronikus egységei: villamos hűtőszivattyú=Electric Water Pump befecskendező rendszer=Direct Fuel Injection starter-generátor=Crankshaft Starter Generator változtatható szelepvezérlés=Electric Valve Control Elektronikával vezérelt egységek:
villamos klíma kompresszor=Electric AC(air condition) Compressor nagy feszültségű inverter=42V Converter Tevékenység: jegyezze meg, mikor tekintünk egy szerkezeti egységet mechatronikai rendszernek! A járműben lévő különböző mechatronikai rendszerek: Fődarabok (motor, automata sebességváltó, szabályzott összkerékhajtás, aktív futómű, blokkolásgátló, villamos szervokormány,) Teljes jármű rendszerek (villamos-elektronikai rendszer, BUS, járművezérlés és szabályozások, stabilizáló rendszerek, navigáció, intelligens jármű) Használati és komfort berendezések (ajtó, ablak zár, szélvédő mosó, törlő, fényszóró mozgatás, ülésmozgatás stb.) Passzív biztonság berendezései (biztonsági öv, légzsák, fődarab mozgató stb. rendszerek) Ezek a rendszerek tartalmazzák a négy mechatronikai alapelemet: gépészet, villamosság, elektronika, informatika. Például a jármű energiaforrása a belsőégésű motor azért mechatronikai rendszer, mert az alapja egy gép (gépészet) amelyet egy informatikai rendszerrel vezérelünk (ECU). Ez szoftverből és hardverből áll, ahol a hardver elektronika. Szintén elektronikus egységek a jeladók, és a hozzájuk tartozó áramkörök. Az aktuátorok (pl. fojtószelep motor) nagyfeszültségű és nagy teljesítményű motorok, mágneses, hidraulikus, pneumatikus mozgatók, amelyek főként a villamos rendszer részei, de vannak kapcsolódó gépészeti és elektronikus egységei. Tehát egy korszerű motor tartalmazza a mechatronikai egységek mindegyikét és ezek szabályozottan működnek a motorban. Nem tekinthetők mechatronikai egységnek a csak egyes rendszerelemeket tartalmazó fődarabok: mechanikus befecskendezővel rendelkező egyszerű belsőégésű motorok, kézi sebességváltó, kardántengely, féltengely, visco kupplung, hidraulikusan működtetett fékberendezés, légfékrendszer, a mechanikus elemekből álló kerékfelfüggesztés-rugózás, kúpkerekes differenciálmű, hidraulikus szervokormány stb, mivel hiányzik belőlük a négy egység közül valamelyik: általában leginkább az elektronika és az informatika. Fontos, hogy a járműben lévő mechatronikai rendszerek, mivel különböző helyeken és céllal fejlesztették ki őket, sok tekintetben eltérnek egymástól, és emiatt megtanulásuk, elvi megközelítésük is különböző módon történik. Ez egyértelműen látszik a későbbi leckékben, amelyek egyes autómechatronikai rendszerek bemutatására törekednek.
Önellenőrző kérdések 1. Jelölje meg, hogy az alábbiak közül melyik mechatronikai egység!
Hidraulikus működtetésű tárcsafék. Közvetlen befecskendezésű Otto-motor. Kézi kapcsolású sebességváltó. Kúpkerekes differenciálmű. Indító motor. Mutassa a visszajelzést
2. Jelölje meg, miért mechatronikai rendszer az autó! Mert digitális műszerfala van. Mert az informatikai, villamos és elektronikai rendszerek gépészeti rendszerbe vannak beágyazva. Mert van benne elektronika. Mutassa a visszajelzést
3. Rajzolja meg egy autó mechatronikai rendszerének elvi blokkdiagramját!
2. lecke. A belsőégésű motor mechatronikája A lecke célja A belsőégésű motor, mint mechatronikai rendszer felépítésének és működésének a megismerése.
Követelmények A hallgató legyen képes: felsorolásból kiválasztani a motor szabályzás fő célját, felsorolásból kiválasztani, mi a CAN-busz feladata, felsorolásból kiválasztani, milyen egységek adatforgalmában vesz részt a CAN-busz, felsorolásból kiválasztani, mit értünk multiplexelt adattovábbítás alatt, felsorolásból kiválasztani az OBD rövidítés jelentését, az egyes jeladók megnevezéséhez párosítani azok feladatát.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 80 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak motor szabályzó informatikai rendszer (ECU, ECM), CAN-busz, multiplex adattovábbítás, lambda szonda hűtőfolyadék hőfokjeladó, fojtószelep jeladó, légnyelésmérő, szívólevegő hőfokadó, főtengely szöghelyzet jeladó, szívócső depresszió jeladó, kopogásszenzor, EGR szelep jeladó, OBD.
Tananyag A belsőégésű motor mechatronikája az egyik legösszetettebb mechatronikai
rendszer az autóban.
1. ábra. A belsőégésű motor mechatronikai rendszere Forrás: Toyota Tevékenység: párosítsa össze az ábra német és a lista magyar kifejezéseit egymással! A belsőégésű motorok mechatronikai rendszere a fenti ábra alapján az alábbi elemekből épül fel:
2.1 Motor szabályzó informatikai rendszer (motor ECU= Motor menedzsment) Tevékenység: jegyezze meg a motorszabályozó informatikai rendszer feladatát! A motorszabályzó informatikai rendszer fogalmára a Ki? Mi? Lexikon az alábbi definíciót adja: „Az elektronikus motormenedzsment elsődleges feladatát az egyes paraméterek - állandó folyamatvezérlés mellett történő - koordinálása jelenti, ami biztosítja a motor gazdaságos és környezetbarát működését. A rendszer által szabályozott paraméterek közé tartozik például a gyújtásidő, a befecskendezési mennyiség, a befecskendezési idő, a kipufogógáz visszavezetés, illetve a fojtószelep állása, az átkapcsolható szívócső állása, a variálható turbótöltő geometria és a vezérműtengely helyzete (a benzinmotoros autóknál) stb. Feladatai elvégzése érdekében az elektronikus motormenedzsment figyeli pl. a fordulatszámot, a motor hőmérsékletét, az üzemanyag fajtáját (a kopogásérzékelő útján) és a gázpedál állását. A normál üzemi állapottól való eltérés esetén a hibamemóriában eltárolja a vonatkozó információkat, hogy a következő szerviz alkalmával át lehessen vizsgálni azokat” Az ECU fő feladatát (a motor gazdaságos és környezetbarát működtetését) az alábbi részfeladatokon keresztül látja el: Első feladatkör: gyújtásvezérlés, injektorok vezérlése, alapjárat szabályozása. Második feladatkör lényegesebb funkciói: indításvezérlés, tápellátás, generátor vezérlése, adatok és érzékelők kiolvasása, digitalizálása, feldolgozása, és az ehhez rendelhető öndiagnosztika üzemmód vezérlése, beavatkozó szervek jeleinek előállítása, sebesség limitálása, vezetési stílusról információk gyűjtése és ennek függvényében a befecskendező szabályozása, káros anyag kibocsájtásának alacsony szinten tartása, fordulatszám szabályozása, stb. Az autók motorvezérlő rendszere egy mikroszámítógép. Olyan programozható célhardver (mikrokontroller, mikrovezérlő), amely egy előre tárolt program alapján vezérli és szabályozza a motor működését az érzékelt jellemzők alapján. Elnevezése 1996 előtt ECU (Electronic Control Unit) volt, újabban ECM-nek rövidítik (ECM: Electronic Control Module). Nézzünk bele a motor menedzsment elektronikus egységébe!
A motorvezérlő 16 vagy 32 bites processzorral rendelkezik. Bár ezek nem akkora teljesítményűek, mint a legmodernebb PC-k, a motor menedzsment így is rengeteg információt képes feldolgozni. Azt mondják, hogy a mai motorvezérlők hatékonyabbak, mint az űrsikló fő processzora. Kívülről minden ECU egyforma (2. ábra): fém doboz sokpólusú villamos csatlakozóval. A csatlakozóval kötődik a szenzorokhoz, kapcsolókhoz, aktuátorokhoz, kommunikációs rendszerhez.
2. ábra. ECU A külvilággal a korábbiakban megismert módon két irányban kapcsolódik. Egy vezetékköteg viszi az érzékelők mért eredményeit az autó üzemállapotáról az ECU bemenetére, és egy másik vezetékkötegen keresztül pedig a kimenetéről továbbmegy a motor felé a beavatkozó szerveken keresztül. Úgy is fogalmazhatunk, hogy feladata a motorvezérlő rendszer érzékelőelemei által nyújtott információk feldolgozása, és az ennek megfelelő beavatkozó jelek létrehozása. Automataváltó esetében az ECU-nak kapcsolatban kell lenni az automata váltót szabályozó elektronikával a TCU-val (Transzmission Control Unit). Tevékenység: jegyezze meg, mi a CAN-busz feladata, és milyen egységek adatforgalmában vesz részt! A technika fejlődésével a gépjárműbe épített elektronikus berendezések száma növekszik, ezért CAN-buszok alkalmazása vált szükségessé. A CAN (Controller Area Network) soros buszrendszert jelent, melyet az autóknál való felhasználás céljából fejlesztettek ki. A CAN adatbusz biztosítja az érzékelők és a vezérlőegységek közötti digitális jelek adatcseréjét, így egy érzékelő jele több vezérlőegységhez el tud jutni feldolgozás céljából. A CAN-adatbusz kivitelezése szalagkábellel történik. A CAN-adatbusz rendszer lényegében három egység adatforgalmában vesz
részt. Ezek a következők: 1. motorvezérlő, 2. az automata sebességváltó szabályozása, 3. ABS/ESP egység (blokkolásgátló/elektronikus
menetstabilizáló).
A CAN-BUSZ vezérlőegységének vázlatos elrendezését a 3. ábrán láthatjuk.
3. ábra. CAN-BUSZ vezérlője Reflexió a lezáratlan vezeték végéről visszaverődő feszültséghullámok keletkezése. Optimális lezárás esetén nincs visszaverődés, ezáltal nincs hibás információ közvetítés. A CAN-adatbusz előnyei: csökken a szükséges vezetékek száma, az adatcsere több vezérlőegység között lehetséges, gyors adatátvitel, szabványosított csatlakozás, adatátvitel, a bővítéshez általában elegendő a szoftvermódosítás, a jeladók jelének több helyen történő felhasználási lehetősége. Természetesen léteznek olyan adatbuszok is, melyek a komfort biztosításához szükséges adatokat szállítják, illetve a biztonságot szolgálják például sebességfüggő hangerő szabályozásról gondoskodnak. Ezen feladatok elvégzésére írt programokat, szoftvereket gépközeli „alacsonyszintű” programozási nyelven írják az alkalmazott célhardverre. Az így megírt szoftverek titkosak. Nehéz visszafejteni őket. A mikrovezérlőt a gyártás utolsó fázisában programozzák fel, a jármű felszereltségétől függően. Ahány típusú gépkocsi, annyi fajta program létezik, de a tervezőknek arra kell
törekedni, hogy hiba esetén is használható legyen a gépkocsi. A szoftverek egyre nagyobb jelentőséggel bírnak, feladatkörük folyamatosan bővül, mivel egyre több rendszernek kell kommunikálni egymással. A 4. ábrán az ECU vázlatos felépítése látható.
4. ábra. ECM felépítése Az 5. ábrán az ECU bemeneti oldal felőli kivitelét láthatjuk.
5 ábra. ECU a bemeneti oldal felől multiplexeres kivitelben. Tevékenység: fogalmazza meg, mit értünk multiplexelt adattovábbítás alatt! Az 5. ábrán a bemeneti mért jelek száma csak 4, valójában ennél jóval több bemenettel rendelkeznek az ECU-k. A kimeneti oldala a motorvezérléshez és szabályozáshoz szükséges szintén nagyobb számú csatlakozást biztosít. A multiplexelt adattovábbítás azt jelenti, hogy az egyes részegységek egymás után, ugyanazon a vezetéken továbbítják az adataikat, így a jármű kábelezése egyszerűbb, mintha minden részegységnek külön vezetéke lenne. A multiplexer több bemenőjel közül kiválasztja, hogy melyik bemenő adat kerüljön a kimenetére, ahonnan a mérőátalakító jele az A/D átalakító bemenetére kerül. A multiplexert vezérelve választjuk ki az A/D átalakító bemenetére kerülő jelet a feldolgozás számára. Ez ciklikusan történik. A feldolgozásból származó eredményt az elektronika, vezérlés vagy szabályozás útján aktiválja. Így biztosítható, hogy a biztonság, menettulajdonságok, tüzelőanyag-fogyasztás, szennyezőanyag kibocsátása a kívánt értéken maradjon. A mai ECU-k közös vonása a nagyfokú integráltság, és az egyre kisebb méret. Meghibásodás esetén javítani gyakorlatilag lehetetlen, csak cserélni lehet. Ha mégis megbontásra kerül az ECU, akkor akár testünk vagy ruházatunk elektrosztatikus feltöltődése is kárt okozhat benne, ezért földelt csuklópánt nélkül az ECU egység megbontását ne végezzük.
2.2 A motorvezérlés legfontosabb jeladói Tevékenység: jegyezze meg, mi az egyes jeladók feladata! A gázpedál jeladó a vezető szándékát közvetíti a motornak. Azt jelzi, hogy a vezető milyen mértékben nyomta le a pedált. A lambda szonda küld információkat a keverék (levegő+tüzelőanyag) minőségéről. Az ECU folyamatosan szabályozza a keverék arányát a tüzelőanyag fogyasztás és az emisszió minimum szinten tartása céljából. Ha a szenzor rossz, akkor a motor túl dús keverékkel jár, sokat fogyaszt és erősen szennyezi a levegőt, illetve tönkre teszi a katalizátort. A hűtőfolyadék hőfokjeladó tájékoztat a motor hőmérsékletről. Az ECU ezt nagyon sok mennyiség változtatására használja, pl. ha a motor hideg, a keveréket dúsítja. A fojtószelep jeladó a szelep állásával arányos feszültség jelet küld az ECU számára, amit pl. a gyújtás időzítés illetve a befecskendezés mennyiség változtatás érdekében használ fel. A légnyelésmérő a beszívott levegő tömegét vagy térfogatát méri. A mért
jelet az optimális keverék arány kialakításához használja a vezérlő. (Mass Air Flow (MAF) sensor=tömegáram jeladó, vagy Vane Air Flow (VAF) sensor térfogatáram jeladó). Sokféle ilyen szenzor létezik: fűtőhuzalos, lengőlapátos stb., és mindegyik jó drága, ha cserélni kell. A szívólevegő hőfokadó a beszívott levegő állapotáról ad információt az ECU-nak. A főtengely szöghelyzet jeladó a gyújtás időzítés és motor fordulatszám fő jelét biztosítja. Sok motoron a vezérműtengely(ek) szöghelyzetét is külön jeladó reprezentálja az ECU számára. A szívócső depresszió jeladó (manifold absolute pressure (MAP) sensor) a vákuumot méri és az ECU a motor terhelés meghatározásához használja fel. Elsősorban a gyújtás időzítést és a befecskendezés mennyiségét befolyásolja. A kopogásszenzor a rendellenes égésről tudósítja a motor menedzsmentet, amely beavatkozik ennek elkerülésére. Az EGR szelep jeladó (exhaust gas recirculation (EGR)=kipufogógáz visszavezetés) a szelep állását viszi az ECU-ba, amely folyamatosan ellenőrzi a kívánt alacsony emisszió érdekében. Mit vezérel a motor menedzsment? A befecskendezett tüzelőanyag mennyiségét és idejét. A fojtószelepet mozgató motort. A tüzelőanyag szivattyút. A benzintank szellőző szelepet. Hűtőventillátor motort. Vezérmű tengely aktuátort. Az ECU nem csak vezérli, szabályozza, ellenőrzi a motorban lezajló folyamatokat, hanem tárolja a folyamatokat jellemző információkat, amelyeket ki lehet belőle olvasni. Ezt szolgálja az OBD = On Board Diagnostic, a fedélzeti diagnosztika. A számítógép által tárolt jeleket egy megfelelően kapcsolt output interfésszel ki lehet olvasni, és a jármű javításában fel lehet használni. Természetesen a jármű üzemközbeni hibáit is jelzi, és bizonyos hibáknál lehetőséget biztosít a jármű további, nem teljeskörű használatára (Failsave=vész üzemmód). Mivel a motor a legkomplexebb mechatronikai egység az autóban, célszerű volt itt összefoglalni egy tipikus jármű fődarab mechatronikai jellemzőit. Az ECU egy nagysebességű kommunikációs rendszerrel (BUS) kapcsolatban van más fődarabok vezérlő egységével, azok számára információs üzeneteket küld és azoktól fogad ilyeneket.
Önellenőrző kérdések 1. Jelölje meg, mi a motor szabályzás fő célja! A motor nyomaték növelése.
A motor élettartam maximálása. A motor gazdaságos és környezetkímélő üzemének biztosítása. Mutassa a visszajelzést
2. Jelölje meg, mi a CAN-busz feladata! A CAN adatbusz biztosítja, hogy az érzékelők analóg jele a vezérlőegységhez digitális jel formájában jusson el. A CAN adatbusz biztosítja, hogy több érzékelő jele ugyanahhoz a vezérlőegységhez jusson el. A CAN adatbusz biztosítja, hogy az érzékelők digitális jele több vezérlőegységhez is el tudjon jutni. A CAN adatbusz biztosítja, hogy a vezérlőegységek digitális jele eljusson az érzékelőkhöz. Mutassa a visszajelzést
3. Jelölje meg, milyen egységek adatforgalmában vesz részt a CAN-busz! Tempomat. Generátor. Motorvezérlő. Automatat sebességváltó. ABS/ESP egység. Mutassa a visszajelzést
4. Jelölje meg, mit értünk multiplexelt adattovábbítás alatt! Az adatok egyszerre több vezetéken futnak párhuzamosan. Az adatok a vezérlőegységből minden egyes vezérelt egységhez külön vezeték mennek. Az adatok ugyanazon a vezetéken egyszerre mennek minden vezérlet egységhez. Az adatok ugyanazon a vezetéken egymástól elkülönítve mennek az egyes egységekhez. Mutassa a visszajelzést
5. Jelölje meg, mit jelent az OBD! Fedélzeti számítógép. Fedélzeti diagnosztika. Vész üzemmód. Mutassa a visszajelzést
6. Jelölje meg, melyik jeladók adnak információt az ECU-nak a gyújtás időzítésével kapcsolatban! Lambda szonda jeladó. Szívócső-depresszió jeladó. Hűtőfolyadék-hőfok jeladó. Fojtószelep-jeladó. Szívólevegő hőfokadó.
EGR-szelep jeladó. Főtengely-szöghelyzet jeladó. Mutassa a visszajelzést
7. Jelölje meg, melyik jeladó jelzi a motor hőmérsékletét! Lambda szonda jeladó. Szívócső-depresszió jeladó. Kopogásszenzor. Hűtőfolyadék-hőfok jeladó. Fojtószelep-jeladó. Szívólevegő hőfokadó. EGR-szelep jeladó. Mutassa a visszajelzést
8. Jelölje meg, mi a lambda-szonda feladata! A vezérműtengely szöghelyzetét jelzi. A beszívott levegő tömegét vagy térfogatát méri. Információkat ad a keverék (levegő+tüzelőanyag) minőségéről. A beszívott levegő állapotáról ad információt. Mutassa a visszajelzést
3. lecke. A sebességváltó mechatronikája A lecke célja Az automatikusan működtetett sebességválók mechatronikája alapjainak a megismerése.
Követelmények A hallgató legyen képes szabadkézzel lerajzolni az automata sebességváltó blokkdiagramját, felsorolásból kiválasztani a TCU bemeneti jeleit, felsorolásból kiválasztani, mit értünk adaptív fokozatkapcsolás alatt, felsorolásból kiválasztani, hogyan szabályozza a TCU a fokozatkapcsolást, felsorolásból kiválasztani az automata váltó jellemző aktuátorait.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 80 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak adaptív fokozatkapcsolás, TCU, lock up kapcsoló, kick down kapcsoló.
3.1 A hajtómű mechatronikája
A járművekben alkalmazott sebességváltók jelentős része nem mechatronikai berendezés. A kézi kapcsolású váltók olyan gépészeti egységek, melyek vezérlését a gépkocsivezető végzi. Az automata sebességváltók mechatronikai rendszerként a szabályzási folyamatokat átveszik a gépkocsivezetőtől. A hajtómű további részei, a tengelykapcsoló, kardántengely, differenciálmű és féltengelyhajtás sem mechatronikai rendszer az általánosan használt gépkocsikban. A járművek fejlesztése során azonban ezek az egységek is mechatronikai rendszerré alakultak (automatikusan működtetett tengelykapcsoló, vezérelt, szabályozott differenciálművek). Az automata váltó kapcsolata a motorral meghatározó, vezérlő berendezése magas szinten együttműködik a motor ECU-val. Lehet fokozatkapcsolású (az áttételek adott konstans értékben=fokozatban valósulnak meg pl. kézi kapcsolású sebességváltó) illetve folyamatosan változtatható áttételű hajtómű. Tevékenység: jegyezze meg, mi az automata sebességváltó két fő bemenő paramétere! A sebességváltó, mint mechatronikai egység nagyon hasonlít a motorhoz, de kevesebb funkcióval és részegységgel rendelkező egyszerűbb rendszer. Alapjában a jármű sebesség és a gázpedál-állás (motorterhelés), mint két fő paraméter függvényében kapcsolja a fokozatokat a központi vezérlő egység. A sebesség növekedésével fel, a motor terhelés függvényében lefelé kapcsolja a fokozatokat. A mai sebességváltóknál a fokozatszám akár 8 is lehet, és ehhez járul a rövidrezáró tengelykapcsoló (lock up) működtetés. Tevékenység: fogalmazza meg, mit értünk adaptív fokozatkapcsolás alatt! Az autóval szemben támasztott felhasználói követelmények fokozatosan finomítottak a kétparaméteres fokozatkapcsolás gyakorlatán, és mára kialakult az adaptív fokozatkapcsolás vezérlés, amely rendkívül sok paraméterhez való alkalmazkodást jelent, akár a vezető mentalitásának néhány másodpercen belüli felismerésén alapuló kapcsolásvezérlést. Az adaptív fokozatkapcsoló rendszer a gázpedál működtetés valamint a járműdinamikai mennyiségek alapján ítéletet alkot a gépkocsivezető igényeiről (nyugodt, temperamentumos, sportos, sietős, nézelődő stb). Az ítélet, a járműre ható erők, az aktuális tapadási viszonyok, a motor és sebességváltó hőmérséklete alapján a vezérlő berendezés kiválasztja a megfelelő menetprogramot: milyen jellegű legyen a kapcsolás folyamata (dinamikus, takarékos, csendes üzemre törekvő, nagy nyomatékú). A vezérlés az előválasztó kar állása, a jármű menetállapota, és a menetprogram alapján dönt a kapcsolandó fokozatról. Az adaptív sebességi fokozat választáshoz a sebességváltó elektronikus egysége TCU (Transmission Control Unit=sebességváltó vezérlő elektronika)) a kapcsolódó BUS rendszeren kommunikál az összes jármű fődarab és jármű rendszer mechatronikai egységgel.
3.2 Fokozatkapcsolású hidromechanikus sebességváltó A fokozatkapcsolású automataváltó.
hidromechanikus
sebességváltó
leggyakoribb
2.1 Gépészeti rendszer Az 1. ábrán a gépészeti rendszer: karimás tengely, hidrodinamikus nyomatékváltó, rövidrezáró (lock up) tengelykapcsolóval, két bolygómű egység (primer és szekunder), ATF (automatic transmission fluid=szabványos automata sebességváltó olaj) hőcserélő, ATF fogaskerék-szivattyú, ATF szűrő, ATF olajteknő, Mechatronikus egység=kombinált hidraulikus és elektromos vezérlő tömb. D-D után az összkerék hajtás részei láthatók. Tevékenység: az alábbi ábrán kövesse színek szerint a folyamatokat illetve egységeket és jegyezze meg azokat. .
1. ábra Automata sebességváltó blokksémája zöld = forgatónyomaték kékesszürke = hajtáslánc (gépészet) kék = hidraulika (gépészet) szürke = elektronikus egységek piros = aktuátorok (villamosság) sárga = kommunikáció fekete (vonal) = elektronikus jel A motor nyomaték a hidrodinamikus nyomatékváltón (konverter) illetve a
rövidrezáró tengelykapcsolón (lock up) keresztül kerül a bolygóműre, majd innen a kihajtó tengelyre és végül a kerekekre jut. A lock up tk-t és bolygómű áttételi fokozatait a hidraulika elektromágneses szelepek segítségével (villamos vezérlés) kapcsolja. A hidraulika tápnyomást a motor által hajtott hidraulika szivattyú állítja elő. A villamos elemeket az elektronikus egység jelei vezérlik a beérkező elektronikus jelek alapján. A vezérléshez szükséges jeleket a jeladók (kihajtó tengely fordulatszám jeladó: sebesség jel, gázpedál állás: E-gáz vagy gázpedál adó, fékpedál kapcsoló, előválasztó kapcsolók: PRND…). Elektronikus illetve villamos hiba esetén az ECU=TCU vészüzemmódba kapcsol és ekkor a gépkocsvezető az előválasztó karral közvetlenül is tudja a hidraulikus rendszert vezérelni, a fokozatokat kapcsolni. A gépészet egy hidromechanikus rendszer, amelyben az autó indításának automatizálását egy hidrodinamikus nyomatékváltó végzi, a fokozatkapcsolás pedig bolygóművek tengelyeinek hidraulikusan működtetett lamellás tengelykapcsolókkal való fékezésével és összekapcsolásával valósul meg. Azt, hogy melyik fokozat legyen bekapcsolva, és a lock up zárva vagy nyitva legyen a TCU dönti el a bemenő jellemzők és a benne tárolt és futtatott programok alapján. (A TCU nem a váltóban van, hanem a gépkocsiban.) 2.2 Bemenő jellemzők Tevékenység: Jegyezze meg a sebességváltó vezérlésének bemeneti jellemzőit! Tanulja meg, honnan származnak ezek a jelek! Egy tipikus TCU közvetlen kapcsolatban áll a motor ECU-val, felhasználva minden motorjellemzőt. Ezen kívül információkat kap a kommunikációs (BUS) rendszeren keresztül a jármű többi elektronikus vezérlő egységével. Néhány bemeneti jellemzőt a váltó maga állít elő. Jármű sebesség jel: a sebességváltó kihajtó tengelyén lévő induktív jeladó által szolgáltatott impulzusok. Gázpedál-állás jel: a gázpedáltól közvetlenül vagy a motor ECU-tól származó analóg feszültség jel(ek). Az előválasztó kar állása: többállású mikrokapcsoló, amelyet a gépkocsivezető működtet, meghatározva a jármű kívánt üzemmódját (PRND selector) Turbina fordulatszám jel: a váltóban lévő hidrodinamikus nyomatékváltó turbinájának a fordulatszámát jellemző impulzus időfüggvény (induktív jeladó). Kerék fordulatszám jel: az ABS jelek alapján képződött digitális jel. A sebesség jellel együtt egymást kiegészítve, ellenőrizve használhatók fel. Sebességváltó olaj hőmérséklet jel: a sebességváltó üzemi állapotát kifejező analóg jel, ami a sebességváltó olajteknőben lévő jeladótól származik. Motor hőmérséklet jel: az ECU szolgáltatja a TCU-nak Kick down (túl gáz) kapcsoló jele: a gázpedál teljes gáz helyzetnél tovább működtetése esetén egy kapcsoló egyenfeszültséget küld a TCU-nak. A kick down kapcsoló a gázpedálnál helyezkedik el. A
kapcsolóban -a biztonság érdekében- két párhuzamos gázpedál jeladó található
2. ábra Kick-down kapcsoló Féklámpa kapcsoló jele: a fék használatáról információként egyenfeszültséget küld a TCU-nak Egyéb jeladók: a BUS rendszeren keresztül jeleket kaphat a kormánytól, a Tempomat/Cruise control-tól, a jármű stabilizáló rendszerektől (ESP stb.), az összkerékhajtás rendszertől, a passziv biztonság vezérlő rendszertől. Figyelembe veheti még a külső hőmérsékletet, a motor üzemállapotát (hideg/meleg/túlhevült), az atmoszférikus légnyomást, a jármű terhelését, kapcsolóval beállított kívánt üzemmódot. A felsoroltak közül a járműsebesség és a gázpedál-állás a két legfontosabb bemenő adat. 2.3 Jeladók turbina és kihajtó tengely fordulatszám (induktív) jeladók Jeladó a sebességváltó kimenő fordulatszámhoz (sebesség jel). Az előválasztó kar mikrokapcsolók: az előválasztás karral vagy nyomógombokkal történhet (Tiptronic), a jeladók minden esetben Hall szenzorok. Jelzik, hogy a vezető milyen állásba (PRND54321) tette az előválasztó kart.
3. ábra. Az előválasztó kar és mikrokapcsolói (Hall jeladók). Az ábrán két nyomtatott áramkör látszik az egyik az előválasztó karral a másik a nyomógombbal vezérelt sebességváltókhoz (Tiptronic=az előválasztás nyomógombokkal történik, amelyek több járműnél a kormánykerékben vannak) F189 kapcsoló alaplap a Tiptronic váltókhoz. Váltó hőmérséklet jeladó: az olajteknőbe merített ellenállás hőmérő
4. Ábra A váltóban lévő hőfok jeladó: az ATF hőmérsékletet méri
2.4 A TCU kimeneti jelei Tevékenység: jegyezze meg a vezérlés kimeneti jellemzőit és azt, hogy ezek a jelek milyen célt szolgálnak! Egy tipikus modern TCU analóg, digitális és kapcsoló jeleket ad a mágnesszelepek működtetéséhez, a nyomásszabályzó szelepnek, a hidrodinamikus nyomatékváltó rövidrezáró tengelykapcsoló (lock up) szelep elektromágnesének és más szabályzó egységek számára. Előválasztó kar reteszelés: a TCU néhány esetben zárja az előválasztó kar mozgatási lehetőségét egy elektromágneses zár segítségével. Fokozatkapcsolás: a meghatározott sebességi fokozat kapcsolószelepeinek a működtetéséhez analóg feszültséget vezérel ki a TCU, amely elektro-hidraulikus szelepeket nyit és zár, a váltóban fokozatkapcsolás következik be: le vagy felkapcsol. Hidraulikus vezérlőnyomás-szabályzás: a TCU a váltó üzemi követelményeinek megfelelő nyomásszinte(ke)t hoz létre a hidraulikai kapcsoló csatornákban egy PVM (impulzus kitöltési tényező) vezérlésű elektromágneses szelep segítségével. Lock up vezérlő mágnes szelep: amennyiben nincs szükség a hidrodinamikus nyomatékváltó aszinkron (csúsztató) üzemére illetve nyomatékmódosítására, akkor a TCU analóg jelet küld a Lock up elektromágnesre, és ezzel összezárja a turbinát és szivattyút, a hajtómű veszteségei csökkennek. Információ a többi vezérlő egységnek: a TCU a csatlakoztatott BUS rendszeren keresztül üzeneteket küld más vezérlő egységek: ECU, jármű stabilizáló rendszer (ESP stb), összkerékhajtás rendszer, Tempomat szabályzó, műszerfal. Az ECU-hoz hasonlóan kapcsolódik az OBD-hez. 2.5 Aktuátorok Tevékenység: jegyezze meg, hogy melyek a végrehajtó elemek (aktuátorok) a váltóban. Az automata sebességváltó végrehajtó elemei: fokozatkapcsoló elektromágneses szelepek, nyomásszabályzó szelep, tengelykapcsolók munkahengerei (vezérlő munkahengerek),
tömb+hidraulikus
amelyek egy bonyolult hidraulikus áramkörön és szeleprendszeren keresztül (Hydraulik-Modul) a bolygómű tengelykapcsolók (fékek) működtetésével kapcsolják a sebességfokozatokat.
5. ábra. A szeleptest. A két rendszer: hidraulikus vezérlés és elektromágneses szelepek együttese. Kapcsolódó rendszerek: motor menedzsment, kormányberendezés, fékrendszer, aktív futómű, szabályozott differenciálmű, teljes járműrendszerek.
Önellenőrző kérdések 1. Rajzoljon szabadkézzel egyszerű ábrát az automata sebességváltó mechatronikai rendszeréről az alábbi egységek felhasználásával: gépészet, előválasztó kar, szeleptest, ECU, TCU, gázpedál, lock up kapcsoló (1. ábra blokkdiagramja)
2. Jelölje meg az alábbiak közül azokat a TCU bemeneti jeleket, amelyeket az automata sebességváltó kapcsolásánál figyelembe vesz a berendezés! Jármű sebesség. Motor fordulatszám.
Gázpedál-állás. Szívócső depresszió, Előválasztó kar állása. Motor hőmérséklet. Sebességváltó hőmérséklet. Féklámpa kapcsoló állapota. Kerék fordulatszáma. Lock up-jel. Kick down kapcsoló állapota. Mutassa a visszajelzést
3. Jelölje meg, mit értünk adaptív fokozatkapcsolás alatt! Az adaptív fokozatkapcsolásai rendszer a járműre ható erők, az aktuális tapadási viszonyok, a motor és sebességváltó hőmérséklete alapján dönti el, hogy melyik fokozatot kell kapcsolnia az adott körülmények között. Az adaptív sebességi fokozat választáshoz a sebességváltó elektronikus egysége TCU a kapcsolódó BUS rendszeren kommunikál az összes jármű fődarab és jármű rendszer mechatronikai egységgel. A gázpedál működtetése, valamint a járműdinamikai mennyiségek alapján az adaptív fokozatkapcsolásai rendszer ítéletet alkot a járművezető igényeiről, és ennek megfelelően kapcsolja a fokozatokat. A járművezető az előválasztó kar megfelelő állásba helyezésével és a gázpedál finom, vagy sportos kezelésével dönt arról, hogy az adott pillanatban melyik fokozat legyen bekapcsolva. Mutassa a visszajelzést
4. Jelölje meg, hogyan szabályozza a TCU a fokozatkapcsolást!
Digitális vezérlőjelet küld az elektro-hidraulikus szelepek nyitásáhozzárásához, amelyek elvégzik a kapcsolást. Analóg feszültséget vezérel a bolygómű fogaskerekeihez, amelyek elvégzik a kapcsolást. Digitális vezérlőjelet küld a bolygómű fogaskerekeihez, amelyek elvégzik a kapcsolást. Analóg feszültséget vezérel az elektro-hidraulikus szelepek nyitásáhozzárásához, amelyek elvégzik a kapcsolást. Mutassa a visszajelzést
5. Jelölje meg, melyek az automata váltó jellemző aktuátorai! Fokozatkapcsoló elektromágneses szelepek. Nyomásszabályzó szelep. TCU. Tengelykapcsolók munkahengerei. Bolygómű-tengelykapcsolók. Mutassa a visszajelzést
4. lecke. Az aktív kerékfelfüggesztés mechatronikája A lecke célja Az aktív kerékfelfüggesztések általános mechatronikai rendszerének megismerése.
Követelmények
A hallgató legyen képes saját szavaival elmondani, mi az aktív kerékfelfüggesztési rendszer célja, fel tudja sorolni az aktív kerékfelfüggesztés mechatronikai rendszerének elemeit, felsorolásból kiválasztani az aktív kerékfelfüggesztés bemeneti jellemzőit, ábra alapján megadni az aktív kerékfelfüggesztés elemeinek járműbeli helyét, ábra alapján elmagyarázni a motoros állítású hidropneumatikus rugóelem működését, elmagyarázni a különbséget a kerekenkénti hidraulikus szivattyúval, illetve a központi hidraulikával ellátott rendszerek működése között.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak aktív kerékfelfüggesztés, bemeneti jellemzők.
4.1 Az aktív kerékfelfüggesztés mechatronikája A futómű csak magas szinten, a teljes járműrendszerekkel együtt képez egységes mechatronikai rendszert. Az egyszerűbb autókban egyes futómű részek mechatronikai egysége működik akár önállóan, akár egy nagyobb rendszerbe tagolva. A legegyszerűbb autókban a futómű a sebességváltóhoz hasonlóan nem mechatronikai rendszer. Egyszerű mechatronikai rendszerek a futóműben: gumiabroncsnyomás-érzékelő, kerékterhelés-mérő.
A futómű főegység rendszerei: aktív felfüggesztés (rugózás-lengéscsillapítás), fékberendezés, kormányberendezés. Teljes jármű rendszer: ESP= Electronic stability Program, gyakran kicsúszás-gátlóként említik, sokféle márkanévvel került forgalomba: a GM StabiliTrac-nek nevezi, a Ford AdvanceTrac néven forgalmazz, a Chrysler it Electronic Stability Programnak nevezi (ESP). Más elnevezések: Vehicle Dynamics Control (Subaru), Dynamic Stability Control (Volvo), Vehicle Stability Assist (Honda), Vehicle Stability Control (Toyota). E lectronic stability control (ESC), Roll (borulás) Stability Control (RSC). Tevékenység: jegyezze meg, mi az aktív kerékfelfüggesztés feladata! „Az aktív kerékfelfüggesztéssel egy sajnálatos ellentmondást igyekeznek elektronikus szabályozással áthidalni. Az a futómű ugyanis, mely lágy rugózású, kényelmes, sajnos nem biztonságos. A nagy menetbiztonságú kerékfelfüggesztéssel viszont a legnagyobb jóindulattal sem mondható kényelmesnek az utazás. Az elektronika a menetviszonyoknak megfelelően az érzékelőktől érkező információk alapján automatikusan változtatja a lengéscsillapító és a rugó karakterisztikáját. Gyakran automatikus szintszabályozással is kombinálják. Az aktív kerékfelfüggesztés nagymértékben növeli a gépkocsi menetstabilitását, de költséges megoldás.” Forrás: www.gbi.bgk.bmf.hu/oktatas/segedanyagok /.../Kozlek3.doc Tevékenység: jegyezze meg, mik az aktív kerékfelfüggesztés bemeneti jellemzői! A menetstabilitás növelését egy szabályzó rendszer valósítja meg, amelynek bemeneti jellemzői: a jármű terhelése, az útfelület és a járművezető cselekedetei. Tevékenység: jegyezze meg, mik aktív kerékfelfüggesztés mechatronikai rendszerének
elemei! Az aktív kerékfelfüggesztés mechatronikai rendszerének elemei: szabályzó egysége: egy számítógép, működtető egységei (aktuátorai): elektrohidraulikus szintállítók, jeladói: légrugó nyomásmérők, magasságmérő útadók, hossz- és keresztirányú gyorsulásmérők. Tevékenység: Jegyezze meg az aktív kerékfelfüggesztés szabályzási blokkdiagramját; rajzolja le az ábrát, és magyarul írja be a megnevezéseket! Jegyezze meg, hogy a járművezetői aktivitásból adódóan milyen adatokat használ fel a rendszer! Ennek megfelelően az aktív felfüggesztés elemei:
1.ábra Aktív kerékfelfüggesztés szabályzás Forrás:Bo Gao Research PhD student, Dept of Mechanical Engineering University of Bath
Aktív kerékfelfüggesztés szabályzási rendszer: external influences: külső hatások (egyenetlen út, oldalszél, stb.) driver activity: gépkocsivezető tevékenysége load: terhelés braking pressure: fékezési nyomás, pedal position: (fék)pedál helyzet, speed: sebesség, steering input: kormánykerék elforgatás, air spring perssure: légrugó nyomás, ride height: kerékfelfüggesztés-magasság, body acceleration: kocsitest gyorsulás, vehicle reaction: jármű viselkedés. A járművet ért külső hatások a jármű felépítmény és kerék közötti távolság (jeladó) változásán keresztül csatolódnak vissza az ECU-ra. A jármű menetállapotát jelentő paramétereket a vezető hozza létre, és az ECU a fődarabok (motor, sebességváltó, kormány, fék) vezérlőegységeitől a BUS
rendszeren keresztül kap információt a valós járműdinamikai állapotról. A bejövő két információs csatorna jelei alapján az ECU meghatározza a felfüggesztésben szükséges pillanatnyi (gáz vagy légrugó: actuator) nyomás értéket. A gyors szabályzás problematikus bizonyos frekvenciáknál és amplitúdóknál (nagy sebesség, rossz terepviszonyok). Beavatkozás történhet a lengéscsillapítási tényező, erő megváltoztatása érdekében is.
4.2 Az aktív kerékfelfüggesztés elhelyezkedése az autóban Tevékenység: az ábra alapján jegyezze meg az autóban lévő aktív kerékfelfüggesztés elemeinek nevét magyarul!
2.ábra Aktív kerékfelfüggesztés elhelyezkedése az autóban Forás: sheffield.ac.uk
Corner control units: járműhelyzet-jeladó rendszerek (útadók, itt optoelektronikus jeladók, a járműfelépítmény adott pontja és az útfelület közötti távolságot mérik) Lateral, longitudinal accelerometers: hossz és keresztirányú gyorsulásmérők Electric actuators with integral air spring: villamos aktuátorok légrugóval Central controller: központi vezérlő (ECU) Az ábra szerinti rendszer valósítja meg az előző ábrák szabályzását és kapcsolási diagramját.
4.3 Az aktív kerékfelfüggesztés elemei
Tevékenység: Fogalmazza meg, hogy működik a motoros állítású hidropneumatikus rugóelem! Jegyezze meg, mi a különbség a kerekenkénti hidraulikus szivattyúval, illetve a központi hidraulikával ellátott rendszerek működése között! Motoros állítású hidropneumatikus rugóelem
3. ábra Aktív kerékfelfüggesztés aktuátor: motoros állítású hidropneumatikus rugóelem Forás: sheffield.ac.uk
Compressed air=sűrített levegő Operation oil=működtető (hidraulika) olaj Accumulator=hidraulikus akkumulátor Működése: a villamos motorral forgatott csavarorsó egy kettős dugattyút mozgat, amely emeli és süllyeszti a kerék feletti felépítmény pontot. Rugózó elem itt a sűrített levegő, amelynek nyomása a kettős dugattyún hozza létre a rugóerőt. Ha a szivattyú nem a kerekeknél van, akkor vezérlő szelepekkel hozzuk létre az emelő/süllyesztő nyomást/térfogatáramot a hidropneumatikus rugóelemekben.
4. ábra Nyitott, központi hidraulikus táplálású aktív kerékfelfüggesztés vezérlési diagramja (A kép nagyobb változatát itt találja!) Az ábra jelölései: Engine = belsőégésű motor, Pump = hidraulika szivattyú, Fail safe valve unit = vészüzemmód szelep egység, Flow control valve = hidraulikus útváltó, Gas strut = aktív kerékfelfüggesztés aktuátor, Body acceleartion sensor = jármű gyorsulás jeladó (3D), Height sensor = magasság útadó, Pressure sensor = nyomás jeladó, Wheel speed sensor = kerék fordulatszám jeladó, Brake sensor = fék jeladó, Throttel sensor etc = e gáz jeladó és más motor jellemzők, ECU=elektronikus szabályzó egység Figyelje meg, hogy hidraulikus útváltóból és kerékfelfüggesztés-aktuátorból négy-négy szerepel az ábrán, a jármű négy kerekének megfelelően. A hidraulika szivattyú megfelelő munkanyomás mellett biztosítja a szükséges térfogatáramot az aktuátorok működtetéséhez. Az ECU a bemeneti jellemzők alapján egyenként meghatározza az egyes aktuátorok nyomását és helyzetét, amivel tulajdonképpen a jármű kerékfelfüggesztést emeli ki, illetve engedi vissza.
Önellenőrző kérdések 1. Fogalmazza meg, mi az aktív kerékfelfüggesztési rendszer célja!
2. Sorolja fel az aktív kerékfelfüggesztés mechatronikai rendszerének elemeit!
3. Jelölje meg, mik az aktív kerékfelfüggesztés bemeneti jellemzői! A jármű terhelése. A motor fordulatszáma. A gumiabroncsok nyomása. A sebességváltó aktuális fokozata. Az útfelület jellemzői. Gázpedál állása. Sebesség. A kormánykerék helyzete. Mutassa a visszajelzést
4. Az ábra alapján adja meg a kerékfelfüggesztés egyes elemeinek helyét! Írja be a megfelelő számot a megnevezés mögötti mezőbe!
Villamos aktuátorok légrugóval: Hossz és keresztirányú gyorsulásmérők: Központi vezérlő: Járműhelyzet-jeladók: Elküld
5. Az alábbi ábra alapján magyarázza el a motoros állítású hidropneumatikus rugóelem működését!
6. Magyarázza el a különbséget a kerekenkénti hidraulikus szivattyúval, illetve a központi hidraulikával ellátott rendszerek működése között!
Modulzáró feladatok 1. Jelölje meg, mi a CAN-busz feladata! A CAN adatbusz biztosítja, hogy több érzékelő jele ugyanahhoz a vezérlőegységhez jusson el. A CAN adatbusz biztosítja, hogy a vezérlőegységek digitális jele eljusson az érzékelőkhöz. A CAN adatbusz biztosítja, hogy az érzékelők analóg jele a vezérlőegységhez digitális jel formájában jusson el. A CAN adatbusz biztosítja, hogy az érzékelők digitális jele több vezérlőegységhez is el tudjon jutni.
Mutassa a visszajelzést
2. Jelölje meg, mit értünk multiplexelt adattovábbítás alatt! Az adatok egyszerre több vezetéken futnak párhuzamosan. Az adatok ugyanazon a vezetéken egymástól elkülönítve mennek az egyes egységekhez. Az adatok a vezérlőegységből minden egyes vezérelt egységhez külön vezeték mennek. Az adatok ugyanazon a vezetéken egyszerre mennek minden vezérlet egységhez. Mutassa a visszajelzést
3. Jelölje meg, melyik jeladók adnak információt az ECU-nak a gyújtás időzítésével kapcsolatban! Lambda szonda jeladó. Szívócső-depresszió jeladó. Fojtószelep-jeladó. Főtengely-szöghelyzet jeladó. Hűtőfolyadék-hőfok jeladó. Szívólevegő hőfokadó. EGR-szelep jeladó. Mutassa a visszajelzést
4. Jelölje meg, mi a lambda-szonda feladata! A vezérműtengely szöghelyzetét jelzi. A beszívott levegő tömegét vagy térfogatát méri. A beszívott levegő állapotáról ad információt. Információkat ad a keverék (levegő+tüzelőanyag) minőségéről. Mutassa a visszajelzést
5. Jelölje meg az alábbiak közül azokat a TCU bemeneti jeleket, amelyeket az automata sebességváltó kapcsolásánál figyelembe vesz a berendezés! Jármű sebesség. Motor fordulatszám. Gázpedál-állás. Előválasztó kar állása. Kick down kapcsoló állapota. Motor hőmérséklet. Sebességváltó hőmérséklet. Féklámpa kapcsoló állapota. Kerék fordulatszáma. Szívócső depresszió. Lock up-jel. Mutassa a visszajelzést
6. Jelölje meg, mit értünk adaptív fokozatkapcsolás alatt! A gázpedál működtetése, valamint a járműdinamikai mennyiségek alapján az adaptív fokozatkapcsolásai rendszer ítéletet alkot a járművezető igényeiről, és ennek megfelelően kapcsolja a fokozatokat. Az adaptív fokozatkapcsolásai rendszer a járműre ható erők, az aktuális tapadási viszonyok, a motor és sebességváltó hőmérséklete alapján dönti el, hogy melyik fokozatot kell kapcsolnia az adott körülmények között. Az adaptív sebességi fokozat választáshoz a sebességváltó elektronikus egysége TCU a kapcsolódó BUS rendszeren kommunikál az összes jármű fődarab és jármű rendszer mechatronikai egységgel. A járművezető az előválasztó kar megfelelő állásba helyezésével és a gázpedál finom, vagy sportos kezelésével dönt arról, hogy az adott pillanatban melyik fokozat legyen bekapcsolva. Mutassa a visszajelzést
7. Jelölje meg, melyek az automata váltó jellemző aktuátorai! Fokozatkapcsoló elektromágneses szelepek. Nyomásszabályzó szelep. Tengelykapcsolók munkahengerei. TCU. Bolygómű-tengelykapcsolók. Mutassa a visszajelzést
8. Jelölje meg, mik az aktív kerékfelfüggesztés bemeneti jellemzői! A jármű terhelése. A motor fordulatszáma. A gumiabroncsok nyomása.
A sebességváltó aktuális fokozata. Az útfelület jellemzői. Gázpedál állása. Sebesség. A kormánykerék helyzete. Mutassa a visszajelzést
9. Az ábra alapján adja meg a kerékfelfüggesztés egyes elemeinek helyét! Írja be a megfelelő számot a megnevezés előtti mezőbe!
Villamos aktuátorok légrugóval Járműhelyzet-jeladók Hossz és keresztirányú gyorsulásmérők Központi vezérlő Elküld
3. modul: Az elektromechanikus szervokormány mechatronikája
Bevezetés A kormányberendezés jelentős fejlődésen ment keresztül, és egyszerű mechanikai rendszerből, elektrohidraulikus illetve elektromechanikus mechatronikai rendszerré alakult át. A fejlesztés során egyelőre megmaradt a korábbiakkal egyenértékű, azokkal nagyjából azonos mechanikus kormányberendezés, és ezzel párhuzamosan működik a kapcsolódó villamos, elektronikai és informatikai rendszer.
1. lecke. Az APA elektromechanikus kormányberendezés, mint mechanikai rendszer A lecke célja Az elektromechanikus kormányberendezés működése mechanikai alapjainak a megismertetése.
Követelmények A hallgató legyen képes ábra alapján azonosítani a kormányberendezés részeit, ábra alapján elmagyarázni, hogyan működik a golyósoros fogaslécmozgatással történő rásegítés, felsorolásból kiválasztani a rásegítést végző villamos motor jellemzőit, felsorolásból kiválasztani a golyósoros hajtómű jellemzőit, felsorolásból kiválasztani a két bekezdésű golyósoros hajtómű alkalmazásának indokát.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 80 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak elektromechanikus kormányberendezés, fogasléces hajtómű, golyósoros anya, villanymotoros rásegítés, két bekezdésű golyósoros menet.
Tananyag Tevékenység: Az 1. ábra alapján jegyezze meg a kormányberendezés részeit! Párosítsa az ábra német feliratait az ábra alatti magyar megnevezésekkel! Az elektromechanikus kormányberendezés részei láthatók az 1. ábrán.
1. ábra A kormányberendezés részei forrás: VolksWagen Self Study Program 399. fejezet
Lenkrad: biztonsági kormánykerék,
Lenksäule: kormányoszlop, Kreuzgelenkwelle: kardántengely, Lenkmomentgeber: kormány orsó és nyomaték jeladó, Lenkgetriebe, Motor für elektromechnische Servolenkung: golyósoros rásegítő hajtómű villanymotoros meghajtással, Steuergerät für Lenkhilfe: szabályzó egység. A fogasléces kormányberendezés egy olyan hajtómű, amely a kézzel forgatott kormánykerék mozgását egy kisebb fordulatszámú és elfordulási szögtartományú mozgássá alakítja a kormányzott kerekeken. Működése során a kormánykerékkel forgatott fogaskerék egy fogaslécet mozgat egyenes vonalban, amely a kormány trapézon keresztül forgatja a két kormányzott kerekeket. A kormányberendezés mechanikai jellemzői: kormánykerék szögelfordulás, kormányzott kerék szögelfordulás, kormány szögáttétel, kormánykerék nyomaték, kormányzási kézi erő, kormányzott kerék elfordítási nyomaték, visszatérítő nyomaték. A 2. ábra az 1. ábrán szereplő szerkezet alsó részét mutatja be részletesebben.
2. ábra Az APA elektromechanikus kormánygép felépítése forrás: VW SSP 399
(A kép nagyobb változatát itt találja!) Az ábrán szereplő fontosabb megnevezések:
Lenkritzel: kormányorsó-fogaskerék Zahnstange mit Spindel: fogasléc Kugelumlaufmutter: golyósoros anya Tevékenység: Fogalmazza meg, hogyan jön létre a rásegítő erő a fogaslécen! A korábban tanult kormánytrapézban helyezzen el vázlatosan egy fogasléces kormánygépet! A villanymotoros rásegítés a következők szerint működik. Az Achs-Paralleler Antrieb (APA) (axiális meghajtású) kormánygépnél a fogasléchez egy golyósoros anya kapcsolódik, amit egy villanymotor bordásszíjjal forgat. Mivel a fogasléc nem tud elfordulni, az anya forgatásakor hosszirányban mozog és az anya hosszirányú erőt fejt ki rá. Ez a rásegítő erő: a villanymotor forgatja az anyát, az anya segíti mozgatni a fogaskereket, és azon keresztül a kormánykereket. Ha a villanymotorral nem forgatunk nincs rásegítés.
3. ábra A golyósoros fogasléc-mozgatás elve A kormánykerékkel hajtott orsó fogaskereke mozgatja a fogaslécet, a jármű kormányozható. A fogaslécen lévő golyósoros orsó anyáján lévő fogaskereket forgatja a villanymotor egy bordás laposszíjjal.
4. ábra A golyósoros fogasléc mozgatás törpékkel elmesélve forrás: VW SSP 399
Az 5. ábrán egy tisztán mechanikus golyósoros kormánygép látható. Ennek mechanizmusa csak a golyósoros szerkezet alkalmazásában azonos a tárgyalt elektromechanikus kormánygéppel. Itt a kormánygépből lengőmozgás jön ki a kormánygép tengelyén.
5. ábra Mechanikus golyósoros korménygép. forrás: http://repairpal.com/steering-gearbox
Steering shaft – kormány orsó Recirculation ball bearings – golyósor Ball nut track – golyósoros anya Worm gear – golyósoros orsó Sector shaft – kormánygép tengely Sector shaft seals – kormánygép tengely tömítés Tevékenység: jegyezze meg, milyen mechanikai jellemzői vannak a villamos rásegítésnek és a golyósoros hajtóműnek! A villamos rásegítés mechanikai jellemzői Gyors reagálású villanymotorra jellemző: nagy fordulatszám, kis nyomaték, kis méretek, kis visszaforgatási ellenállás. A rásegítéshez szükséges nagy nyomatékot áttétel segítségével hozza létre. Mivel a kormányt rásegítés nélkül, azaz akkor is működtetni kell, ha nem működik a villanymotor (ez előírás!), ezért a nagy áttételű hajtómű nem lehet önzáró: jó hatásfokúnak kell lennie visszahajtásnál is. Ilyen a golyósoros hajtómű, amelynek az áttétele nagy, de nem önzáró, mivel a menetek közötti súrlódást gördülési ellenállással váltja ki (sikló csapágy helyett gördülőcsapágy), amiatt a kopása is kicsi. A valóságban a kurblis törpe helyett van a villanymotor és a menet golyóit a végétől a bekezdésig (a törpék helyett) egy, az anyában lévő csővezeték viszi vissza.
6. ábra Kétbekezdésű golyósoros anya forrás: VW SSP 399
Az ábrán szereplő megnevezések: Zahnstange: fogasléc Rückführungskanal: golyóvisszavezető csatorna Zahnrad: fogaskerék Umlaufende Kugeln: körbefutó golyók Kugelumlaufmutter: golyósoros anya Tevékenység: fogalmazza meg, miért használják a kormánygépeken a két bekezdésű golyósoros anyát az egy bekezdésű helyett? A két bekezdésű golyósoros anya esetén egyszerre két menet fut párhuzamosan az orsón és az anyán. Ez a golyók, a menet terhelésének a csökkentése érdekében van: a tolóerőt kifejtő golyók száma a két bekezdésű menetnél kétszer akkora. Az alábbi ábra a rásegítő villamos motor és a golyósoros anya kapcsolatát mutatja.
7. ábra A villamos motor hajtóműve: bordás laposszíj-hajtás, lassító áttétellel forrás: VW SSP 399
Az ábrán szereplő megnevezések: Servogetriebe: szervo hajtómű Kugelspindelgetriebe: golyósoros hajtómű
Zahnriemen: bordásszíj Zahstange: fogasléc
Önellenőrző kérdések 1. Az alábbi ábra alapján párosítsa egymáshoz a kormányberendezés részeit és azok megnevezését! Írja be a megfelelő számokat a mezőkbe!
Kormánykerék Kormányoszlop Kardántengely Nyomaték-jeladó Szabályozó egység Golyósoros rásegítő hajtómű villanymotoros meghajtással Elküld
2. Az alábbi ábra alapján magyarázza el, hogyan működik a golyósoros fogasléc-mozgatással történő rásegítés!
3. Jelölje meg a rásegítést végző villanymotor jellemzőit! Nagy nyomaték. Kis fordulatszám. Kis méretek. Kis visszaforgatási ellenállás. Mutassa a visszajelzést
4. Jelölje meg golyósoros hajtómű jellemzőit! Jó a hatásfoka. Rásegítés nélkül is működtethető. Önzáró.
Minimális a kopása. Mutassa a visszajelzést
5. Jelölje meg, miért használják a kormánygépeken a két bekezdésű golyósoros anyát az egy bekezdésű helyett? Csökken a golyók és a menet terhelése, mert a tolóerőt kifejtő golyók száma a két bekezdésű menetnél feleakkora. Csökken a golyók és a menet terhelése, mert az áttétel a két bekezdésű menetnél kétszer akkora. Csökken a golyók és a menet terhelése, mert a tolóerőt kifejtő golyók száma a két bekezdésű menetnél kétszer akkora. Csökken a golyók és a menet terhelése, mert a súrlódási erő két bekezdésű menetnél feleakkora. Mutassa a visszajelzést
2. lecke. Az APA elektromechanikus kormányberendezés szabályzástechnikája és működése A lecke célja Az elektromechanikus kormányberendezés szabályzási folyamatainak és működésének a megismerése
Követelmények A hallgató legyen képes felsorolásból kiválasztani, mit értünk nyomatékkövető szabályozáson,
lerajzolni az elektromechanikus kormányrendszer szabályzási blokkdiagramját! felsorolásból kiválasztani az elektromechanikus kormány szabályozó rendszerének bemeneti jellemzőit, elmagyarázni, hogyan változik a rásegítés mértéke a járműsebesség függvényében, ábra alapján elmagyarázni az elektromechanikus kormányrendszer rásegítésének működését, ábra alapján megnevezni a rásegítő rendszer működésének elemit és tényezőit, felsorolni a villamos rásegítés szolgáltatásait, az egyes jármű menetállapotokhoz párosítani a jármű és a rásegítés jellemzőit.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak nyomatékkövető szabályzás, rásegítés igény sebességfüggése, aktív egyenesbe állítás, gyorsítási félrehúzás korrekciója, automatikus parkolási asszisztens.
2.1 Az elektromechanikus szervokormány szabályzása Tevékenység: Jegyezze meg a nyomatékkövető szabályzás lényegét! Az 1. ábra alapján tanulja meg lerajzolni az elektromechanikus kormányrendszer szabályzási sémáját! Nyomatékkövető szabályozás esetén a szervokormányok a rásegítést a kézi nyomaték függvényében hozzák létre:
ha a kormánykereket nehéz forgatni (pl. kis járműsebességnél), akkor nagy a rásegítés, ha a kormánykereket könnyű forgatni (pl. nagy járműsebességnél), akkor kicsi, illetve nincs rásegítés. A kormányzási ellenállás érzékelhetősége érdekében a kézzel kifejtett erő a kormányzási ellenállás függvényében nő, a vezető érzi, hogy nehezebb a kormányzás, de igazán ekkor is könnyedén kormányoz.
1. ábra Az elektromechanikus kormányrendszer szabályzási sémája Tevékenység: nevezze meg a szabályzási rendszer elemeit magyarul!
2. ábra Az elektromechanikus kormányzás szabályzási rendszer elemei (A kép nagyobb változatát itt találja!) Tevékenység: jegyezze meg a szabályozó rendszer bemeneti jellemzőit! A szabályozó rendszer bemeneti jellemzői: a kormánykerék szöghelyzete, a (járművezető által kifejtett) kézi nyomaték, a jármű sebessége, a jármű belsőégésű motorjának fordulatszáma, A villanymotor a kormányorsón fellépő nyomatékkal arányos rásegítést (nyomaték/áram) fejt ki. Minél nagyobb a kézi erő, annál nagyobb nyomatékot fejt ki a villamos motor. A motor nyomatékszabályozású. A villanymotor követő nyomatékát a kormány elektronika a nyomaték jel alapján szabályozza. Tevékenység: jegyezze meg, hogy miért csökken a rásegítés, ha a sebesség nő, és miért növekszik a rásegítés, ha a terhelés nő! A rásegítés mértéke sebességfüggő. A rásegítés a jármű sebesség növekedésével csökken (3. ábra), mert a nagy sebességnél a könnyen elmozdítható kormánykerék balesetveszélyt okoz. A sebesség jelet az ABS
elektronika adja a kormányszabályzó elektronika részére. Ha a jármű terhelése növekszik, akkor a kerekeket nehezebb elfordítani (az útfelület és a gumiabroncs közötti nagyobb súrlódás miatt), ezért járművezetőnek is nehezebb elfordítani a kormánykereket. Emiatt nő ebben az esetben a rásegítés mértéke. A 3. ábrán a folytonos vonal terhelt járműre, a szaggatott vonal a normál járműállapotra vonatkozik.
3. ábra A rásegítés (Elektromotormoment) változása a kormányzási kézi nyomaték (Lenkmoment) függvényében forrás: VWSSP
A kormányszabályzó elektronika egy kormányoszlop és egy kormánygép elektronikus szabályzó egységből áll. A nyomaték szabályzást a kormánygép elektronikus egység végzi. A szögjeladó a kormánykerék szögelfordulását, a forgatási irányt adja meg a kormány oszlop elektronikus egységnek. Az elektronikus egységek közötti kommunikáció CAN-BUS rendszeren történik. Tevékenység: A 4. ábra alapján magyarázza el a rásegítés működését! Nevezze meg a számmal jelölt szerkezeteket, illetve értékeket!
4. ábra A rásegítés működése forrás: VWSSP
(A kép nagyobb változatát itt találja!) 1. kormánykerék elfordításának nyomatéka 2. nyomatékjel 3. kormányszög jel 4. motorvezérlő áram 5. motor nyomaték 6. kormányorsó nyomaték, motor rásegítő nyomaték
A rásegítés eredménye: hatásos kormányerő balra, a kerekek balra fordulnak, balra kanyarodunk.
2.2 A villamos rásegítés további szolgáltatásai Ezeket a szolgáltatásokat a mechatronikai rendszer teszi lehetővé. Tevékenység: Jegyezze meg, hogy milyen járulékos szolgáltatásokra képes a szabályozott elektromechanikus kormány rásegítés! Jegyezze meg, hogy az egyes esetekben mik a jármű jellemzői (sebesség, motor-fordulatszám, a kormány elfordítási szöge), és mekkora
a rásegítés mértéke! Parkolás Járműsebesség kicsi, motor fordulatszám kicsi, a kormány elfordítási szög nagy: a szabályzó elektronika a motor számára nagy áramot vezérel ki, nagy rásegítés, könnyű kormányzás (kék görbék) Kanyarmenet kis járműsebességnél (városban) A járműsebesség kicsi vagy közepes, a motor fordulatszám közepes, a kormány elfordítási szög közepes: a szabályzó elektronika a motor számára közepes áramot vezérel ki, a rásegítés közepes, könnyű kormányzás, de nem annyira, mint parkolásnál. (piros és sárga görbék) Aktív egyenesbe állítás Kikormányzott helyzetben, elengedett kormánykeréknél, amikor a szükségesnél kisebb a visszatérítő nyomaték, a jármű sebesség és kerékre ható kormányzási ellenállás kiértékelése alapján az elektronika a motort egyenes állásba hajtással forgatja, a kormányzott futómű gyorsan egyenesbe áll. Az aktív egyenesbe állítás (a kormány nem követő módon, maga avatkozik be) hozadéka, hogy a megváltozott visszatérítő nyomatékra is képes hatékonyan reagálni a szabályzó rendszer: pl. ha gumiabroncsot váltunk, vagy tartósan félre húzna a kormány akkor a rendszer az aktív egyenesbe állítást a korábbiaknak megfelelően gyorsan megvalósítja, anélkül, hogy a vezető megterhelően érezné a változást (nem kell állandóan korrigálni). Gyorsítási félrehúzás korrekciója A különböző hosszúságú féltengelyeknél fellépő különböző törésszög miatti nyomaték különbség miatt az autó nagyobb vonóerő (emelkedő, gyorsítás) esetén félre húz. Ezt az elektromos rásegítő kompenzálja, a kormánykerék egyenesben tartása esetén a futóművet aktívan egyenesben tartja. Automatikus parkolás-asszisztens A rendszer bekapcsolása után a gépkocsivezetőnek nem kell kormányoznia a parkolási manőver alatt, a kormánygép aktívan helyére kormányozza az autót, az autóban lévő helyzet-jeladók jeleit felhasználva.
Önellenőrző kérdések 1. Jelölje meg, mit értünk nyomatékkövető szabályozáson! A rásegítés biztosítja, hogy kormánykerék elfordításához mindig ugyanakkor nyomatékra legyen szükség. A rásegítés mindig ugyanakkora nyomatékot hoz létre, amekkora a kormánykerék elfordításához szükséges. A kormánykerék elfordításához szükséges nyomatékkal arányos a rásegítés mértéke.
A rásegítés által létrehozott nyomaték mindig ugyanakkora, mint a vezető által a kormánykerékre kifejtett nyomaték. Mutassa a visszajelzést
2. Rajzolja le az elektromechanikus kormányrendszer szabályzási blokkdiagramját!
3. Jelölje meg, melyek az elektromechanikus kormány szabályozó rendszerének bemeneti jellemzői! A kormánykerék szöghelyzete. A kormányzott kerék szögelfordulása. A kézi nyomaték. A jármű sebessége. A rásegítő villanymotor fordulatszáma. A rásegítő villanymotor nyomatéka. Mutassa a visszajelzést
4. Fogalmazza meg, hogyan változik a sebesség függvényében a rásegítés mértéke? Indokolja a választ!
5. Az alábbi ábra alapján oldja meg a feladatokat!
a.) Magyarázza el a rásegítés működését! b.) Írja be az egyes megnevezések mögötti mezőbe az ábra megfelelő számát! Nyomatékjel: Motor rásegítő nyomaték: Motorvezérlő áram: Kormánykerék elfordításának nyomatéka: Motor nyomaték: Kormányszög jel: Elküld
6. Sorolja fel a villamos rásegítés szolgáltatásait!
7. Jelölje meg, melyik menetállapotra igazak az alábbi jellemzők: járműsebesség kicsi, motor fordulatszám kicsi, a kormány elfordítási szög nagy, a rásegítő nyomaték nagy. Kanyarodás kis sebességnél. Parkolás. Aktív egyenesbe állás. Gyorsítási félrehúzás korrekciója. Mutassa a visszajelzést
8. Jelölje meg, melyik menetállapotra igazak az alábbi jellemzők: a különböző hosszúságú féltengelyeken fellépő nyomatékkülönbséget a rásegítő kompenzálja. Kanyarodás kis sebességnél. Parkolás. Aktív egyenesbe állás. Gyorsítási félrehúzás korrekciója. Mutassa a visszajelzést
3. lecke. Az APA elektromechanikus kormányberendezés villamos és elektronikai egységei A lecke célja Az elektromechanikus kormányberendezés felépítésének, működésének és jeladóinak megismerése.
Követelmények A hallgató legyen képes szabadkézi rajzot készíteni az optokapus szögjeladóról, és az alapján elmagyarázni, hogyan érzékeli a szöghelyzetet és a kormány fordulatszámát, felsorolásból kiválasztani, mi a feladata a kormánynyomaték jeladónak, ábra alapján elmagyarázni a nyomaték-jeladó működését, felsorolásból kiválasztani, mi biztosítja a rásegítő motor nyugodt járását, felsorolásból kiválasztani, hogyan szabályozza az informatikai egység a PMSM által előállított rásegítő nyomatékot felsorolásból kiválasztani, mi alapján határozza meg az informatikai egység a PMSM fordulatszámát.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak optoelektronikus abszolút jeladó, optoelektronikus inkrementális jeladó, nyomaték-jeladó, állandó mágneses szinkron motor.
3.1 A szögjeladó Tevékenység: Tanulja meg lerajzolni az 1. ábra baloldali részét! A rajz alapján fogalmazza meg az optokapus szögjeladó működési elvét, jegyezze meg, mi a szerepe az abszolút és az inkrementális tárcsának!
A kormányoszlopon, a kormánykerék alatt helyezkedik el, belsejében van a légzsák patron tekercsrugója, amelyen a légzsák a gyújtóáramot kapja. Optoelektronikus elven működő inkrementális és abszolút szöghelyzetadó van a jeladóba építve. A szöghelyzetet az optoelektronikus abszolút jeladó 6 db optokapu segítségével (1. ábra, Lichtschrankenpaar) határozza meg. A mérés azon alapul, hogy a külső tárcsán levő lyukak az optokapuk előtt elhaladva szabaddá teszik a fény útját és a bennük lévő fotodióda vezetővé válik. A kormánykerék 2,76 fordulatot tud elfordulni (mechanikusan lehatárolt), a jeladó pedig 1044 fokos tartományban mér. A belső tárcsán a furatok nem egyenletes osztásban helyezkednek el, az osztás 72 fokonként más. Erre azért van szükség, hogy a rendszer érzékelje, melyik szögtartományban dolgozik éppen a kormánygép. A belső, inkrementális tárcsa a kormánykerék szögsebesség meghatározására, illetve az abszolút szögjeladó ellenőrzésére szolgál. A mért jeleket az optokapukkal egybeépített CAN-BUS vezérlő továbbítja a kormányoszlop elektronikus egységnek.
1. ábra A szögjeladó felépítése Forrás: VWSSP
3.2 A nyomatékjeladó
Tevékenység: Jegyezze meg hol helyezkedik el a nyomatékjeladó a kormánygépben! Jegyezze meg, mi a nyomatékjeladó feladata! Fogalmazza meg a nyomatékjeladó működési alapelvét, magyarázza el, mi a szerepe a sokpólusú mágnesnek és a furatos tárcsáknak! A nyomatékjeladó a kormánygépben a kormányorsó és a fogaskerék közé van építve. Azt méri, hogy a vezető mekkora nyomatékot fejt ki a kormánykerékre. Egy Hall elemes érzékeny szögjeladó, amely a fogasléc előtti torziós rugó két vége közötti, nyomatékarányos szögelfordulást méri.
1. ábra Nyomatékjeladó a kormánygépben Forrás: VWSSP
Lenkeingangswelle: behajtó tengely, Lenkmomentgeber: nyomaték jeladó, Lenkritzel: kormány-fogaskerék. A torziós rugó felső részéhez egy sokpólusú körmágnes van kötve, alsó részéhez pedig két, a mágnes pólusszámával megegyező osztással rendelkező szegmentált acél gyűrű (/a ábra, Stator1 és Stator 2). A torziós rugó elfordulásának mértéke arányos a vezető által kifejtett nyomatékkal. Amikor nyomaték hatására a torziós rugó elcsavarodik, akkor a mágnesek elfordulnak az acél szegmensekhez képest, és az acélgyűrűk mágnesessége megváltozik. Ezt a változást méri a két HALL szenzor, amely az álló házhoz van kötve. Ez lehetővé teszi a forgó tengelyről való jel-levételt (bizonytalan) csúszógyűrű alkalmazása nélkül. A mérés biztonsága és pontossága érdekében van minden mérést végző elemből kettő.
3/a ábra A nyomatékjeladó felépítése Forrás: VWSSP
Nyomaték jeladó felépítése: Lenkeinganswelle: kormány behajtó tengely, Ringmagnet: mágnesgyűrű, Hall Sensoren: Hall jeladók, Torsionstab: torziós rugó, Staror1, Stator 2: szegmentált acélgyűrűk. Lenkritzel: kormány-fogaskerék.
3/b ábra A nyomatékjeladó felépítése Forrás: VWSSP
3.3 Állandó mágneses szinkron motor Tevékenység: Jegyezze meg, milyen motort alkalmaznak a kormányszerkezetben rásegítő motorként! Jegyezze meg, i biztosítja a motor egyenletes járását! A rásegítést végző gép egy 3 fázisú, kefe nélküli, állandó mágneses szinkronmotor, úgynevezett PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor: állandó mágneses szinkron motor)
4. ábra Az állandó mágneses 3 fázisú szinkron motor Forrás: VWSSP
A forgórészen egy hatpólusú ritka földfémből készült mágnesgyűrű van a tengelyre húzva. Az állórész lemezelt vasmagján helyezkedik el a háromfázisú tekercs rendszer, amely kilenc tekercsből áll. A szinuszvezérlésű motor számára ez a páratlan tekercs-pólusszám nagyon finom forgatást és ellenállásmentes üresjáratot jelent. A nyugodt járást még a forgórész csavart mágnesezése is elősegíti. A motor fordulatszámát, szöghelyzetét egy rezolver méri.
5. ábra A rásegítő motor felépítése Forrás: VWSSP
(A kép nagyobb változatát itt találja!) A rásegítő motor felépítése: Ritzel für Zahnriemen: fogaskerék a bordás szíjhoz, Resolverstator: resolver tekercs, Resolverrotor Lamellenpaket: resolver vasmag lemezek, Lamellenpaket: motor vasmag lemezek, Spulen: tekercsek, Stator: állórész, 6-poliger Ringmagnet: 6 pólusú mágnesgyűrű, Läufer: forgórész A rezolver egy tízpólusú tekercseléssel rendelkező állórészből és egy vaslemezekből álló forgórészből áll generátoros szöghelyzet mérő, amely a motor elektronikus meghajtó számára bemeneti jelet képez.
3.4 A kormány informatikus egysége Tevékenység: jegyezze meg, hogyan szabályozza az informatikai egység a PMSM motor által előállított rásegítő nyomatékot, és mi alapján határozza meg a motor fordulatszámát!
A motor áramszabályozását az elektronikus egység végzi. A szinkron motor működéséhez változó forgási sebességű mágneses tér szükséges. Ezt a mágneses teret az elektronikus szabályzó egység hozza létre időben szinuszosan változó jelalakú árammal. Az áramszabályozás itt annyit jelent, hogy a rendszer a motor nyomatékát határozza meg, amely az árammal egyenesen arányos. A fordulatszám a kormánykerék fordulatszámának megfelelően alakul. Az elektronikus egység ezen kívül kapcsolatot tart a BUS rendszeren a többi mechatronikai egységgel és ezek jeleit is figyelembe veszi a nyomaték szabályozásában. Az elektronikus szabályzó a kormánygépre van szerelve.
6. ábra Az elelktromechanikus szervokormány központi szabályzó egysége. Forrás: VWSSP
Önellenőrző kérdések 1. Készítsen szabadkézi rajzot az optokapus szögjeladóról! Magyarázza el, hogyan érzékeli a szöghelyzetet és a kormány fordulatszámát a jeladó!
2. Jelölje meg, mi a feladata a kormánynyomaték jeladónak! Azt méri, hogy mekkora nyomaték szükséges a kormányzott kerekek elfordításához.
Azt méri, hogy a rásegítő motor mekkora nyomatékot fejt ki a kormánykerékre. Azt méri, hogy a mekkora rásegítő nyomaték szükséges ahhoz, hogy a vezető el tudja fordítani a kormánykereket. Azt méri, hogy a vezető mekkora nyomatékot fejtett ki a kormánykerékre. Mutassa a visszajelzést
3. Az alábbi ábra alapján magyarázza el a nyomaték-jeladó működését!
4. Jelölje meg, mi biztosítja a rásegítő motor nyugodt járását! A forgórészen lévő mágnesek csavarszerű elhelyezése.
A 9 pólusú tekercsrendszer a motor állórészében. A szinuszos vezérlés. A rezolver. Mutassa a visszajelzést
5. Jelölje meg, hogyan szabályozza az informatikai egység a PMSM motor által előállított rásegítő nyomatékot! A motor nyomatékát a fordulatszám változtatásával szabályozza. A motor nyomatékát a motor áttételének változtatásával szabályozza. A motor nyomatékát a motorra vezérelt áram változtatásával szabályozza. A motor nyomatékát a motorra vezérelt árammal szinusz függvényének változtatásával szabályozza. Mutassa a visszajelzést
6. Jelölje meg, mi alapján határozza meg az informatikai egység a PMSM motor fordulatszámát! A kormánykerék fordulatszáma alapján. A belsőégésű motor fordulatszáma alapján. A szükséges rásegítő nyomaték értéke alapján. A vezető által a kormánykerékre kifejtett nyomaték alapján. Mutassa a visszajelzést
Modulzáró feladatok
1. Az alábbi ábra alapján párosítsa egymáshoz a kormányberendezés részeit és azok megnevezését! Írja be a megfelelő számokat a mezőkbe!
Kormánykerék Kormányoszlop Golyósoros rásegítő hajtómű villanymotoros meghajtással Kardántengely Nyomaték-jeladó Szabályozó egység Elküld
2. Jelölje meg a kormány-elfordításra rásegítő villanymotor jellemzőit! Kis nyomaték. Nagy visszaforgatási ellenállás. Nagy fordulatszám.
Nagy méretek. Mutassa a visszajelzést
3. Jelölje meg, mit értünk kormányzás esetén nyomatékkövető szabályozáson! A rásegítés biztosítja, hogy kormánykerék elfordításához mindig ugyanakkor nyomatékra legyen szükség. A kormánykerék elfordításához szükséges nyomatékkal arányos a rásegítés mértéke. A rásegítés mindig ugyanakkora nyomatékot hoz létre, amekkora a kormánykerék elfordításához szükséges. A rásegítés által létrehozott nyomaték mindig ugyanakkora, mint a vezető által a kormánykerékre kifejtett nyomaték. Mutassa a visszajelzést
4. Az alábbi ábra kormány-rásegítést ábrázolja. Írja be az egyes megnevezések előtti mezőbe az ábra megfelelő számát!
Nyomatékjel Kormánykerék elfordításának nyomatéka Motor rásegítő nyomaték Kormányszög jel Motorvezérlő áram Motor nyomaték Elküld
5. Jelölje meg, melyik menetállapotra igazak az alábbi jellemzők: a járműsebesség kicsi vagy közepes, a motor fordulatszám közepes, a kormány elfordítási szög közepes: a szabályzó elektronika a motor számára közepes áramot vezérel ki, a rásegítés közepes. Gyorsítási félrehúzás korrekciója. Kanyarodás kis sebességnél. Parkolás. Aktív egyenesbe állás. Mutassa a visszajelzést
6. Jelölje meg, mi a feladata a kormánynyomaték jeladónak! Azt méri, hogy mekkora nyomaték szükséges a kormányzott kerekek elfordításához. Azt méri, hogy a vezető mekkora nyomatékot fejtett ki a kormánykerékre. Azt méri, hogy a rásegítő motor mekkora nyomatékot fejt ki a kormánykerékre. Azt méri, hogy a mekkora rásegítő nyomaték szükséges ahhoz, hogy a vezető el tudja fordítani a kormánykereket. Mutassa a visszajelzést
7. Jelölje meg, hogyan szabályozza az informatikai egység a PMSM motor által előállított rásegítő nyomatékot! A motor nyomatékát a fordulatszám változtatásával szabályozza. A motor nyomatékát a motor áttételének változtatásával szabályozza. A motor nyomatékát a motorra vezérelt árammal szinusz függvényének változtatásával szabályozza. A motor nyomatékát a motorra vezérelt áram változtatásával szabályozza. Mutassa a visszajelzést
4. modul: Biztonsági és komfort mechatronikai rendszerek 1. lecke. Az ablakmozgató
mechanizmus működése, mechanika leírása A lecke célja Az elektromos ablakemelő mechanizmusok működésének és mechanikájának megismerése.
Követelmények A hallgató legyen képes az ablakmozgató mechanizmusok megnevezéséhez párosítani azok működésének leírását, elmagyarázni, hogyan működik a hagyományos, és a CAN-buszon keresztül történő ablakmozgatás, felsorolni, milyen funkciói vannak a CAN-buszos ablakmozgató rendszereknek, felsorolásból kiválasztani, milyen elven működik a becsípődés-gátló.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 50 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak ablakemelő mechanizmus, bovdenes mechanizmus, egysínes, kétsínes, ollós mechanizmus, CAN-busz, becsípődés gátló.
1.1 Az ablakmozgató mechanizmusok mechanikája Tevékenység: fogalmazza meg, hogyan működnek az egyes ablakmozgató mechanizmusok! Bovdenes mechanizmusok Egysínes bovdenes mechanizmus (1. ábra): Ezt a megoldást az 1990- es évek elején kezdték alkalmazni. Lényege, hogy a motor egy csigahajtáson keresztül fel-, illetve letekeri a bovdent egy dobról. Ez a bovden mozgatja fel és le az ablakot, ami egy sínen van megvezetve. A mechanizmus hátránya, hogy az egysínes megvezetés nem elég stabil.
1. ábra - Kétsínes bovdenes mechanizmus (2. ábra):
2. ábra Hasonlóan az egysínes ablakemelőhöz itt is bovden mozgatja a síneken az ablaküveget. Mivel itt két sín vezeti meg az ablakot, ezért sokkal stabilabb az üveg, pontosabb a járása. vezetősín Ollós mechanizmus Ennél a megoldásnál a mozgató motor egy fogas íven át mozgatja az olló mechanizmust. Általában fémből készülnek ezek a szerkezetek, ezért a meghibásodásra kevésbé hajlamosak, mint a bovdenes mechanizmusnak. (3. ábra)
3. ábra
1.2 Az ablakmozgató mechanizmusok elektronikája Tevékenység: fogalmazza meg, hogyan működik a hagyományos, és a CAN-buszon keresztül történő ablakmozgatás! Hagyományos megoldás. A hagyományos megoldású ablakmozgatás esetén egyenáramú szénkefés villanymotor áttételen keresztül mozgatja az ablaktartó elemet egy vagy két sínen. A legfelső illetve a legalsó helyzetet végállás kapcsolók érzékelik. A végállapotban a kapcsolók megszakítják az áramkört, így ebben a helyzetben nem lehet terhelni a motort. A motor kihajtótengelyén önzáró csigahajtás van, így az ablak a súlyánál fogva nem tudja visszahajtani a motort. Az ablak mozgatásának irányát a motorra kapcsolt áram polaritása határozza meg. Ennél a megoldásnál közvetlenül a kapcsolón keresztül vezérelik az emelő motort. Ablakmozgatás CAN-en keresztül. A rendszer fontos része az úgynevezett ajtómodul, amely az ajtóban lévő összes elektromos eszközt magába foglalja. A modul nem végez vezérlést, csak CAN buszon keresztül kommunikál a komfortelektronika központtal. Ha az ablakemelő kapcsolóval jelet adunk a központi elektronika azonnal reagál a jelre, jelet küld a az ajtómodulban lévő elektronikának, hogy emelje vagy
eressze le az ablakot. A kapcsoló meghatározott jelek kibocsájtására képes, azt az elektronika megkülönbözteti és eszerint ad válaszjelet az ablakemelő motoron lévő elektronikának. Tevékenység: jegyezze meg, rendszereknek!
milyen
funkciói
vannak
a
CAN-buszos
ablakmozgató
Ennek a rendszernek a következő funkciói vannak: Ablak le és felhúzása Véghelyzetben motor lekapcsolása Vezetőoldalról irányítható mind a négy ablak Az autó lezárása után a slusszkulcsal egy plusz jelet adva az ablakok még mozgathatók le és fel egyaránt Egyéb rendszerek is vezérelhetik az ablakemelőt (pl: riasztó) Becsípődés gátló: Tevékenység: Fogalmazza meg, mi a becsípődés-gátló feladata! Jegyezze meg, milyen elven működik a rendszer! A mai korszerű járművekben már széria felszereltség a becsípődés gátló, az USA-ban törvény írja elő ezt a funkciót. A rendszer az emelőmotor elfordulásából és a motoron eső feszültség értékéből származtatja az ablakemeléshez szükséges erőt.
Ahol a képletben a: T – nyomaték V – motoron eső feszültség ω – szögsebesség R – motor ellenállása km és kn – A motor saját állandói Amikor az ablakemelő emeli az üveget, a származtatott erőt a rendszer összehasonlítja egy előre meghatározott referencia-adattal. Ha ezt a nyomaték meghatározott értékkel (ΔTMAX) túllépi, tehát az ablaküveg elakadt vagy valami odaszorult, akkor a becsípődés érzékelő jelet kap, majd utasítja a motort vezérlő elektronikát, hogy állítsa meg a motort.
4. ábra Ugyanezt a rendszert más eszközöknél is alkalmazzák, például a Lexus RX300H-ban a csomagtér ajtó lecsukódásánál, ebben a modellben amikor a rendszer érzékeli, hogy akadályba ütközött akkor megáll és visszafelé mozgatja az ajtót.
Önellenőrző kérdések 1. Melyik ablakmozgató mechanizmusra jellemző, hogy a motor fogasíven keresztül mozgatja az ablaküveget? Egysínes bovdenes mechanizmusra. Kétsínes bovdenes mechanizmusra. Ollós mechanizmusra. Mutassa a visszajelzést
2. Magyarázza el, hogyan működik a hagyományos, és a CAN-buszon keresztül történő ablakmozgatás!
3. Sorolja fel, milyen funkciói vannak a CAN-buszos ablakmozgató rendszereknek!
4. Jelölje meg, milyen elven működik a becsípődés gátló! Ha az üveg elakad, akkor a mozgató motoron csökken a feszültség, csökken a fordulatszám. Ebből számít a rendszer egy nyomatékértéket, ami ha túllép egy adott szintet, akkor leállítja a motort. Ha az üveg elakad, akkor a mozgató motoron megnő a feszültség, csökken a fordulatszám. Ebből számít a rendszer egy nyomatékértéket, ami ha kisebb egy előre adott értéknél, akkor leállítja a motort. Ha az üveg elakad, akkor a mozgató motoron megnő a feszültség, csökken a fordulatszám. Ebből számít a rendszer egy nyomatékértéket, ami ha túllép egy adott szintet, akkor leállítja a motort. Mutassa a visszajelzést
2. lecke. A légzsák mechatronikája A lecke célja A légzsák működésének, fajtáinak, felépítésének megismerése.
Követelmények
A hallgató legyen képes, felsorolásból kiválasztani a légzsák feladatait, ábra alapján azonosítani az egyes légzsákfajtákat, ábra alapján elmagyarázni a kétfokozatú gyújtószerkezettel szerelt légzsák működésének folyamatát, ábra alapján elmagyarázni az oldallégzsák és a térdlégzsák működését.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 120 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak légzsák, kormány légzsák, utas oldali légzsák, oldal légzsák, függönylégzsák, térdlégzsák, kétfokozatú gyújtószerkezet.
2.1 A légzsák feladatai Tevékenység: sorolja fel, mik a légzsák feladatai a jármű ütközésekor! A légzsákot 1960-ban fejlesztették ki, de nem terjedt el azonnal, több év telt el mire kezdték a fontosságát felismerni. 1980-ban vezették be (1. ábra)
1. ábra Vezető oldali és utas oldali légzsákok felfúvott állapotban, felülnézetből. forrás: http://www.km77.com/marcas/kia/carens_00/1gra/airbag.jpg Egy balesetnél általában három ütközés történik: amikor a két jármű ütközik, másodjára az utasok ütköznek a műszerfallal vagy a kormánnyal, harmadjára a belső szervek a bordákkal vagy agyunk a koponyacsonttal. Ütközésnél nem a gyorsaság a fő probléma, hanem a hirtelen megállás. Ezért találták fel a légzsákot, aminek feladata, hogy az ütközés pillanatában felfújódjon és a vezető, illetve az utasok tehetetlenségéből eredő elmozdulását fokozatosan lassítsa le, továbbá megakadályozza az ütközésüket a kemény műszerfallal, kormánnyal és egyéb belső elemekkel. Ugyanakkor a légzsáknak gyorsan le is kell eresztenie, nem szabad nyomástartó, merev akadályt képeznie, ami további sérüléseket okozhatna. Így kisebb az esély a belső szervek károsodására is. Nagyon fontos tényező, hogy a légzsák csak akkor segít, ha azt a biztonsági övvel együtt használják, másképp akár ölhet is. A vezető-, utas oldali és térdlégzsákok frontális ütközés esetén védelmet nyújtanak a súlyos fej-, mellkasi- és térd sérülésekkel szemben, viszont az autóbalesetek során az oldalról történő ütközés különösen veszélyes. Erre a tényre már a légzsák kifejlesztése után rájöttek a mérnökök. Ezért alkották meg az oldallégzsákot, később a függönylégzsákot, ami már nem csak az első üléseken utazókat védte meg, hanem a hátul utazókat is. Az oldalirányú ütközések jellemzően váll, fej, nyaki és medencecsonti sérülésekkel járnak. Tevékenység: Jegyezze meg, milyen események hatására aktiválódik a légzsák! Fogalmazza meg, mi történik a légzsákkal az ütközés pillanatában, illetve röviddel az ütközés után! Két jármű ütközésekor nagymértékű lassulás jön létre. Ezt a lassulást háromirányú gyorsulás érzékelő szenzorok mérik, amik a központi vezérlőben találhatóak. A karosszériába épített ütközésszenzorok (Crash Sensor) is
érzékelik a balesetet. Ezek hatásakor a légzsák központi vezérlőjében a jelek összefutnak. A központi vezérlő meghatározza az ütközés erejét, irányát és kiadja a gyújtóimpulzust a megfelelő légzsákoknak. Eközben az övfeszítők is megkapják a jeleket. Az övek megfeszülnek, az utasokat pozícionálják, és a légzsákok átszakítják műszerfali légzsákfedőket. Ha az ütközési sebesség nagyobb, mint 18km/h, akkor a légzsák kioldódik. Ha az ütközésérzékelők a kioldási értéknek megfelelő becsapódást érzékelnek, akkor a vezérlőegység aktiválja a légzsákot, amely felfúvódik. A felfúvódást mutatja be hat képen a 2. ábra.
2. ábra A légzsák felfúvódása forrás: www.airbag24.hu A felszabaduló gáznak még az előtt fel kell fújnia a légzsákot, hogy a test a légzsákba ütközne. A becsapódó test a kieresztő nyílásokon keresztül kipréseli a gáztöltetet a légzsákból. Mindez enyhíti az ütést és ennek során az ütköző test mozgási energiáját is felemészti. Ha a gépjármű akkumulátora a baleset közben megsérül vagy lekapcsolódik, akkor egy kondenzátor energiatartalékként biztosítja a kioldóegység és a gyújtóáramkör működtetését.
2.2 A légzsákok fajtái Tevékenység: Az ábra alapján jegyezze meg, hogy melyik légzsák hol helyezkedik el a járműben!
A légzsákok elhelyezkedésük szerint lehetnek (3. ábra): Kormány légzsák, Utas oldali légzsák, Oldal légzsák, Függönylégzsák Térdlégzsák Egyéb légzsákok: öv légzsák,
3. ábra Kormánylégzsák Tevékenység: A 4. ábra alapján magyarázza el a kétfokozatú gyújtószerkezettel szerelt légzsák működésének folyamatát! A kormánykerék közepében elhelyezett légzsák (4. ábra). A légzsákban egy belehajtogatott nylon ballon található. (Az ábrán a nylon ballon nem látható, csak a gyújtószerkezet.) A nylont belülről egy neoprén réteg védi az aktivizálódáskor keletkezett esetleges forró gáztól. A légzsákot egy perforált, netán anyagban gyengített borító fedi, amely kiszakad, amikor a légzsák felfújódik. A légzsákokat a gázgenerátor fújja fel, amelyet a vezérlőegység indít be. A ballon hátoldalán egy precízen méretezett légszelep található, amely a felfújódás után gyorsan és ellenőrzötten leereszti a légzsákot.
4. ábra Forrás: AUDI SSP-380 Az Audi TT Coupe ’07 első légzsákjai kétfokozatú gyújtószerkezettel vannak ellátva (4. ábra.) A kormánylégzsák gázgenerátorában két pirotechnikai gyújtószerkezet van elhelyezve. Az első gyújtószerkezetet aktivizálja a légzsák központi vezérlő rendszere. A gyújtótűz keresztülmegy a tárolón és meggyújtja a gyújtótöltetet. Ha a gyújtótöltet begyullad, és ha elég magas nyomás jött létre, a lángok áttörnek a perforált csövön keresztül. Ezek után az első szilárd hajtóanyag töltet begyullad. A fejlődő gáz a fő égéskamrában átszakítja a biztosítólemezt és a szűrt gáz a légzsákba áramlik a gázkivezető furatokon keresztül. Eközben a ballon áttöri a kormánykerék középkonzolt. A ballon részlegesen felfúvódik. Miután egy meghatározott időköz lejárt, a központi vezérlő aktiválja a második gyújtószerkezetet. Az égés által termelt gáz átáramlik a záró fedélen keresztül a fő égéskamarába és innen a szűrőn keresztül a ballonba, felfújja maximális méretére. A kétfázisú, vagy kétfokozatú légzsákok úgy vannak kialakítva, hogy az ütközés nagyságától, illetve a vezetőoldali légzsák esetében a vezetőülés helyzetétől függően két, egymástól különböző sebességgel fújódjon fel. A teljes méretű vezetőoldali légzsák 60-65 liter gázt tartalmaz. Utas oldali légzsák Tevékenység Az 5. ábra tanulmányozza az utas oldali légzsák felépítését! Hasonlítsa össze a 4. ábrán látható légzsákkal, keresse meg az azonos elemeket! Az utas oldali légzsák az utas ülése előtt, a műszerfal borításában a kesztyűtartó felett kerül elhelyezésre, amelyet ütközéskor a kialakított varratnál átszakít. A ballon mérete és alakja különbözik a kormánylégzsáktól. Az utas oldali légzsák számos autónál egy kulcsos kapcsoló útján az indítókulccsal
kikapcsolható, így az első utasülésen biztonságosan elhelyezhetők a Reboard rendszerű gyermekülések. Az Audi TT ’07 Coupe utas oldali légzsákja szintén kétfázisú, mint a kormánylégzsák (5. ábra).
5. ábra Utas oldali légzsák Forrás: AUDI SSP-380 A két szilárd hajtóanyagú töltet integrálva van a nyomásálló gázpalackban, amiben el vannak választva egymástól. Az úgynevezett hideg gáz a nyomásálló gázpalackban megközelítőleg 250 bar nyomás alatt van. A palackban lévő gáz összetétele: 98% argon és 2% hélium. Működése a 4. ábrán bemutatott kormánylégzsákéhoz hasonló. Oldallégzsák Tevékenység: a 6. ábra alapján magyarázza el az oldallégzsák működését! A kormánylégzsák és az utas oldali légzsák oldalirányú becsapódásnál kevésbé nyújtanak védelmet a gépkocsiban ülők számára. Emiatt a fejlesztések későbbi szakaszában már az oldallégzsákok kialakítására helyezték a hangsúlyt. Ezeket az első ülésekbe és a hátsó ajtókba építették be a gyártók. Minthogy az autók oldalt csak kisebb gyűrődő zónával rendelkeznek, az oldalirányú ütközések esetén sokkal kevesebb idő van az ütközés észlelésére, illetve a légzsákrendszer aktiválására és a légzsákok felfújására, mint az első légzsákok esetében. Az oldallégzsákok 10 ms alatt kell feladatuk teljesítésére készen állniuk. Az utas biztonság kérdésére sokat adó gyártók különféle megoldásokat vonultattak fel az oldallégzsák elhelyezésére. Az oldallégzsák 1994-ben a Volvókban volt megtalálható először. A Volvo az ülésekbe építette a kioldószerkezeteket és a légzsákot, más gyártók az ajtóba is építik a berendezést. Előbbi előnye, hogy a vezető felől nyílik, azaz ebben az esetben van a legtöbb idő a felfújt állapot elérésére. Az oldallégzsák kicsi, mindössze 12 liter térfogatú, mivel ennél nagyobb párna szerencsétlen kilövése már belső sérüléseket okozna.
Audi TT Coupe ’07 oldallégzsákja az ülésbe van építve (6. ábra.) Működése: A detonátor, ha gyújtóimpulzust kap a vezérlő rendszertől, begyújtja a gyújtó töltetet. A lángok átcsapnak a perforált lemezen és meggyullad a szilárd hajtóanyag, ami hirtelen gázképződést okoz. A gáz a fémszűrőn keresztül a gázkivezető furatokon a ballonba jut.
6. ábra Forrás: AUDI SSP-380 Függönylégzsák A függönylégzsákot 1998–ban találta fel a Volvo(7.ábra ) . Ez a szerkezet már egyformán védi az első és a hátsó utasokat is, mivel az A- oszloptól egészen a C-oszlopig ér. Általában a tetőkárpitba vagy az ajtóba helyezik el a gyártók. Ha a jármű felborul, a sorozatos ütközések esetén optimális védelmet biztosít. Megvéd az üvegszilánkoktól, cserjéktől, bokroktól, ráadásul nem csak a fejet óvja meg, hanem a vállat, mellkast is, így egészíti ki az oldallégzsákot. A sorozatos töréstesztek bebizonyítják, hogy a függönylégzsák több mint 80%-kal csökkenti a fejsérülések kockázatát. Felfújási ideje kb.: 0,002 mp.
7. ábra Függönylégzsák Forrás: Volvo Térdlégzsák
Tevékenység: a 9. ábra alapján magyarázza el a térdlégzsák működését! Ma már található légzsák a műszer fal alatt, hogy megvédje a vezető és utasa térdét, medencéjét a sérüléstől, illetve segít abban, hogy a tehetetlen test ideális helyzetben maradjon, ne csússzon ki az öv alól. A térdlégzsák a Kia 1996-os modelljeiben volt először fellelhető. Kis sebességű ütközéseknél a térdsérülés a leggyakoribb. Az Audi TT Coupé ’07 Észak-Amerikai piacára készített térdlégzsákokat a vezető és az első utas számára. (8.ábra.)
8. ábra Forrás: AUDI SSP-380 A vezető oldali térd légzsák kormány alatt helyezkedik el. Az első utas oldalán levő térdlégzsák a kesztyűtartó alatt kapott helyet. A térdlégzsák gázgenerátorának működése más, mint a korábban ismertetett típusoké. Nem található benne szilárd hajtóanyag, sem gyújtótöltet. A hibrid gáz generátorban hélium gáz van, megközelítőleg 600 bar nyomású. A légzsák vezérlő aktiválja a gázgenerátor detonátorát. A detonátor lökéshulláma eltöri a biztosító lemezt és a hélium gáz kiszökik a palackból a szűrőn és a gázkivezetőkön keresztül a ballonba, ami által felfújódik.
9. ábra Forrás: AUDI SSP-380
Önellenőrző kérdések 1. Jelölje meg, hogy az alábbiak közül melyek a légzsák feladatai ütközéskor! Az ütközés pillanatában felfúvódjon fel. Az utasok elmozdulását fokozatosan lassítsa le. Ütközés után meg kell tartania a benne levő nyomást. Megakadályozza az utasoknak a jármű részeihez való ütközését. Mutassa a visszajelzést
2. Az alábbi ábra alapján azonosítsa az egyes légzsákfajtákat! Írja be a megfelelő számot az egyes megnevezések elé! (Az öt számból négyet kell beírnia!)
Függönylégzsák Térdlégzsák Oldallégzsák Utasoldali légzsák Elküld
3. Az alábbi ábra alapján magyarázza el a kétfokozatú gyújtószerkezettel szerelt légzsák működésének folyamatát!
4. Az alábbi ábra alapján magyarázza el az oldallégzsák működését!
5. Az alábbi ábra alapján magyarázza el a térdlégzsák működését!
Források Bosch – Biztonság és komfortelektronika a gépjárművekben Audi TT Coupe ’07 SSP http://opel-autodiagnosztika.com http://www.volkswagen.hu – Műszaki lexikon http://airbag24.hu http://auto.howstuffworks.com/ http://hu.wikipedia.org http://www.kfztech.de US. Patent Application Publication Discovery - How It's Made Season S06E12 Discovery – TimeWarp S01E06
3. lecke. Az ABS A lecke célja Az ABS felépítésének és működésének megismerése.
Követelmények A hallgató legyen képes saját szavaival megfogalmazni, mi az ABS alkalmazásának indoka, elmagyarázni, hogyan akadályozza meg az ABS-rendszer a féknyomás
szabályozásán keresztül a kerék blokkolását, ábra alapján elmagyarázni a passzív kerékfordulatszám-szenzor működését, ábra alapján elmagyarázni a magnetorezisztív kerékfordulatszám-szenzor működését, felsorolni az ABS-rendszer előnyeit és hátrányait.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak ABS, passzív és aktív kerékfordulatszám-szenzor, magnetorezisztív kerékfordulatszám érzékelő.
3.1 Bevezetés A gépkocsi menetbiztonságáért felelős egyik szerv az ABS (anti-lock break system) vagyis a blokkolásgátló. A tervezés már a húszas években megkezdődött, igaz ez még mechanikus rendszerrel és nem volt megbízható, végül 1936-ban került bejegyzésre a szabadalma. Az elektronikus blokkolás gátló rendszert egy nagy létszámú mérnökcsapat fejlesztette és tesztelte. 1964-re elkészült az első generációs elektronikus blokkolásgátló rendszer, amelynek megbízhatósága még nem teljes. 1978-ban készült el a Bosch által sorozatgyártott ABS, a Mercedes-Benz és a BMW számára. Az első szériatartozékként a Mercedes-Benz S osztályú gépjárműveiben jelent meg 1985-ben. A szerkezet azóta gyorsabbá, precízebbé és könnyebbé vált, de már képes a fékerőt a kerekek között elosztani, és az ABS- re épül több, a menetbiztonságot javító rendszer, mint a kipörgés gátló és az ESP (Electronic Stability Program) is.
3.2 Az ABS feladata és működési elve Tevékenység: Fogalmazza meg, mi az ABS alkalmazásának indoka! Magyarázza el, hogyan akadályozza meg a rendszer a féknyomás szabályozásán keresztül a kerék blokkolását! A gépjármű tapadása nagyban meghatározza annak gyorsulási és lassulási képességét. Jó tapadásról akkor beszélünk, ha a gumi futófelületének szlip értéke zérus, azaz a gumiabroncs és az útfelület között nincs csúszás. Ebből következik, hogy a blokkolásig fékezett kerekekkel csúszó jármű hosszabb idő és hosszabb fékutat igényel a teljes megálláshoz. A blokkolásgátló megakadályozza a gépjármű megcsúszását erőteljes fékezés esetén. A forgó kerekekkel a jármű még irányítható. Az ABS rendszer központi alkatrésze a hidraulikus egység (hidroaggregát), ami a fékfolyadék nyomását állítja elő. A gépjármű minden kerekénél, időnként a tengelyeken vagy a differenciálműben induktív forgó jeladó van elhelyezve, amelyek a kerekek szögsebességét mérik. A jeladók jeleit egy vezérlőegység dolgozza fel, amely a számítások végeredménye alapján tudja megfelelően vezérelni a féknyomás csökkentéséért felelős mágnesszelepeket. A szelepekhez pumpák kapcsolódnak, amelyek a féknyomás-csökkenés miatt feleslegessé vált fékolajat vezetik vissza a hidraulika rendszerbe. Amennyiben fennáll valamelyik kerék blokkolásának veszélye, a rendszer mindaddig csökkenti a féknyomást az adott keréknél, míg megszűnik a kerék blokkolási tendenciája. Amennyiben a kerék újra szabadon elkezd forogni, a berendezés újra lehetővé teszi a féknyomás növelését. Ez a féknyomás szabályzás mindaddig tart, míg a vezető el nem engedi a fékpedált, vagy meg nem szűnik a kerék blokkolási hajlama. A szelepek folyamatos ki-be csukódásából adódik az is, hogy az ABS működése közben a fékpedál egyes modelleken erős pulzáló mozgást végez.
3.3 Az ABS szerkezeti felépítése 1. fékpedál 2. fékrásegítő 3. főfékhenger 4. kiegyenlítő tartály 5. fékcső 6. féktömlő 7. kerékfék a munkahengerrel 8. kerékfordulatszám-érzékelő 9. ABS hidraulikus egysége 10. ABS elektronika 11. Műszerfali ABS ellenőrző lámpa
1. ábra
3.4 Az ABS részegységei Kerékfordulatszám-szenzor A mai gépjárművekben a keréksebességeket fogazott tárcsák és indukciós jeladók segítségével méri a rendszer. A kerekek forgásakor az indukciós jeladók impulzussorozatokat hoznak létre, melyet a központi vezérlőegység (ECU) dolgoz fel. Tevékenység: a 2. és 3. ábra alapján magyarázza el a passzív kerékfordulatszám-szenzor működési elvét! Passzív kerékfordulatszám-szenzor A passzív elnevezés onnan ered, hogy a működésükhöz nincs szükség tápfeszültségre. Ilyen például az induktív jeladó.
2. ábra A jeladó felépítése: a kerékfordulatszám-szenzorok közvetlenül a kerékaggyal vagy a hajtótengellyel összekötött impulzuskerék felett találhatók, amelynek fogai mágnesezettek. Forgás közben az érzékelő elé váltakozva fogárok, illetve fog kerül, amely váltakozása megváltoztatja a póluscsapon és a tekercselésen áthaladó mágneses fluxust. Ez a változó mágneses mező a tekercsben mérhető szinuszosan váltakozó feszültséget indukál, aminek frekvenciája arányos a forgási sebességgel (3. ábra). Ezt a szinusz-feszültséget még át kell alakítani négyszögjellé, mert az elektronika, csak négyszögjelet tud feldolgozni.
3. ábra
Az induktív érzékelő hátrányai: A kerékre ható hírtelen nyomaték, a ki és berugózás, a kerékcsapágy kopása miatt változik a hézag a póluskerék és a szenzor között. A póluskerék osztása alapvetően befolyásolja az elektronikába bemenő jel pontosságát. Kis hézag szükséges a póluskerék és a szenzor között. Sebességfüggő jelképzés Tevékenység: a 4. és 5. ábra alapján magyarázza el a magnetorezisztív kerékfordulatszámszenzor működési elvét! Aktív kerékfordulatszám-szenzor Működésük Hall IC-s, illetve magnetorezisztív elven alapuló érzékelőket alkalmaznak. Az aktív kerékfordulatszám érzékelőknek tápfeszültségre van szükségük. Hall IC-s kerékfordulatszám érzékelő: a jelképzés alapelve a Hall effektus. Ha a vezető közelében periódikusan változik a mágneses tér, akkor azzal arányosan változik a feszültség. Ezt a feszültség jelet erősítve és jelátalakítóval már alkalmassá teszik az ABS és más menetdinamikai szabályzó elektronikák működtetéséhez szükséges bemeneti információként. Magnetorezisztív kerékfordulatszám érzékelő A magentorezisztív érzékelőbe négy ellenállást építenek be, melyeket Wheatstone híd kapcsolásként csatolnak egymáshoz és a kiértékelő elektronikához (4. ábra). A magnetorezisztív ellenállások a mágneses tér hatására változtatják az ellenállásukat. A jelek erősítését és négyszögjellé alakítását komparátorok végzik, amik az érzékelőben találhatóak.
4. ábra Működés közben a kerékkel együtt változó polaritású mágnesek mozdulnak el. Általában ezek a mágneses kódok a csapágytömítő gyűrűjén helyezkednek el. (5. ábra.)
5. ábra A jelátalakító egység az aktív érzékelőben található, így négyszögjelet adnak ki, melyet közvetlen az elektronikába vezetnek, ahol feldolgozásra kerülnek. Ezeket a jeleket a gépkocsi sebességének, kerék szögesességének, csúszásának meghatározására használják. A négyszögjel alsó (Low) szintje 0V-nál nagyobb értékű, hogy az elektronika különbséget tudjon tenni a vezetékszakadás és álló kerék között. Előnyei: kompakt felépítésűek, így kisebb a helyigényük, határsebesség 0km/h, működését nem befolyásolja a megnövekedett távolság az érzékelő és a kódolt tárcsa között, az általuk szolgáltatott adatok sokkal pontosabbak, mint a passzív jeladóké, A forgásirány és a pillanatnyi szöghelyzet is meghatározható a pontos adatokat hasznosítani tudják más rendszerek is, pl: GPS, visszagurulás-gátlók, Lassulás érzékelő Az összkerékhajtású személygépkocsik ABS rendszereit bizonyos esetekben lassulásérzékelőkkel is ellátják. Erre azért van szükség, mert a kerekek egymással és a motorral is mechanikus kapcsolatban vannak. Az egyik kerék után nagyon hamar megcsúszhat a másik is. A lassulásérzékelő átállítja az elektronika beavatkozási küszöbértékét a gépkocsi lassulása, tehát közvetetten az útfelület tapadási tényezője alapján. A lassulásérzékelőket a menetiránynak megfelelően, a gyárilag megadott helyzetben kell beszerelni.
3.5 Blokkolásgátló fékrendszer előnyei és hátrányai Tevékenység: jegyezze meg a blokkolásgátló fékrendszer előnyeit és hátrányait! Előnyök Az esetek többségében csökkentheti a fékutat. Vészfékezés közben irányíthatóságot biztosít a forgó kerekek miatt. A lehető legnagyobb fékhatással lassítja a járművet. A pótkocsis szerelvények nem csuklanak be. Hátrányok Az ABS növeli a fékutat a következő útfelületeken: kockaköves út: amint a kerék az egyik kőről a másikra lép át, egy pillanatra a levegőbe kerül ahol állóra fékeződik. Ilyenkor az ABS teljesen elveszi a fékerőt, cserébe viszont amint a kerék ismét a kőhöz ér, nem fog blokkolni, így megmarad az irányíthatóság. A fékút ebben az esetben azonban megnő! frissen esett hó: ebben az esetben a blokkoló fékezés az első kerekek előtt egy hókupacot hoz létre (mint egy ék), ami segíti az autó lassulását. ABS-szel szerelt jármű esetén nem keletkezik a kerekek előtt hókupac, így hosszabb lesz a fékút. sáros, iszapos, homokos, vagy kavicsos útszakasz: ilyenkor az ABS megzavarodik, folyamatosan leszabályoz, nehézkes lesz az autó irányítása, és nagyon nagymértékben nőhet a fékút.
6. ábra Az ábrán a tapadási tényező és a kerékcsúszás összefüggése látható, különböző talajtípusoknál. Megfigyelhető, hogy a friss hó és a kavicsos útnál a tapadási tényező kisebb növekvése figyelhető meg teljes kerékcsúszáskor. Ez a növekvés az álló kerék előtt torlódó hó vagy kavics ékszerű működése miatt következik be. Az ABS szabályozási tartományát a kék színű területek jelzik. Az ABS-rendszer próbál a körülményekhez megfelelően maximális tapadási tényezőt és a legkisebb kerékcsúszást társítani. A fékerőnek az ABS szabályozási tartományán túli növelése azt jelenti, hogy a kerék túlfékezetté válik, így megcsúszik.
3.6 Vészfékezés blokkolásgátló rendszerrel A vészfékezést mindig hirtelen, rúgásszerű lábmozdulattal kell indítani. A fék lenyomásával egy időben történjen meg a kuplung lenyomása is, ugyanis egy tárcsafék 3 tized másodperc alatt blokkolja a kereket, majd 5 tizeden belül leáll a motor. Motor nélkül pedig nincs szervokormány, fékrásegítés és ABS. A fékpedált erősen, folyamatosan kell nyomni. Ilyenkor a pedál ugrálhat, remeghet a lábunk alatt, illetve kattogó, kerregő hangot adhat. Ilyenkor sem szabad felengedni, sőt ha lehet, még erősebben kell taposni. ABS-szel szerelt járművekben nem szabad alkalmazni a korábban tanított, úgynevezett pumpáló fékezést, ugyanis ez a módszer összezavarja a központi egységet!
Önellenőrző kérdések
1. Fogalmazza meg, mi az ABS alkalmazásának indoka!
2. Magyarázza el, hogyan akadályozza meg az ABS-rendszer a féknyomás szabályozásán keresztül a kerék blokkolását!
3. Az alábbi ábra alapján magyarázza el a passzív kerékfordulatszám-szenzor működését!
4. Az alábbi ábra alapján magyarázza el a magnetorezisztív kerékfordulatszámszenzor működését!
5. Sorolja fel az ABS-rendszer előnyeit és hátrányait!
Források Kiss Ferenc: Harminc éve ad esélyt In: AUTÓPIAC 2008/9. szám Febr.26Márc.3. http://hu.wikipedia.org/wiki/ABS http://www.bosch.hu/sajto/presstext.phtml?id=185 http://www.volkswagen.hu/volkswagen_koeruel/innovacio/m_szaki_lexikon /antiblockiersystem_abs.html http://hdabob.com/Non-ABS.jpg http://hdabob.com/BrksConv.jpg http://auto.howstuffworks.com/auto-parts/brakes/brake-types/antilock-brake.htm http://www.drivingfast.net/technology/abs.htm http://www.volkswagen.hu/volkswagen_koeruel/innovacio/m_szaki_lexikon /antiblockiersystem_abs.html http://www.sulinet.hu/tart/fcikk/Kibv/0/15789/2
Kőfalusi Pál – ABS-től az ESP-ig
4. lecke. Az ESP mechatronikája A lecke célja Az ESP működési elvének és szerkezeti felépítésének megismerése.
Követelmények A hallgató legyen képes saját szavaival megfogalmazni, mi az ESP feladata, felsorolásból kiválasztani, hogyan avatkozik közbe az ESP alulkormányzottság, túlkormányzottság, és fékezés közbeni stabilitásvesztés esetén, ábra alapján azonosítani az ESP-rendszer részegységeit, ábra alapján elmagyarázni a keresztgyorsulás-érzékelő, a kondenzátoros keresztgyorsulás-érzékelő és a perdületszenzor működési elvét.
Időszükséglet A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak ESP keresztirányú gyorsulás perdülési sebesség, alulkormányzottság, túlkormányzottság, fékezés közbeni stabilitásvesztés, keresztgyorsulás-érzékelő,
egyesített keresztgyorsulás és perdületszenzor.
4.1 Az ESP feladata Tevékenység: Fogalmazza meg, mi az ESP feladata! Jegyezze meg, milyen módon befolyásolja az ESP a jármű menettulajdonságait! Az 1. ábra alapján jegyezze meg, mit értünk keresztirányú gyorsulás és perdülési sebesség alatt! A jármű jó vezethetősége attól függ, hogy olyan nyomvonalat követ-e, amely a lehető legpontosabba igazodik a kormány-elfordítási szöghöz. Ebből a szempontból különösen nagy fontosságúak a jármű oldalirányú dinamikai tulajdonságai. Ezeket a tulajdonságokat a keresztirányú gyorsulás, és a jármű függőleges tengelye körüli elfordulása, a perdülési sebesség jellemzi. (1. ábra.)
1. ábra A jármű mozgási irányai A Electronic Stability Program vagy röviden ESP a pályaelhagyásos balesetek számát hivatott csökkenteni, ha a gépkocsi a saját tengelye körül hirtelen elfordul, a kormánymozdulatokra nem megfelelően reagál, akkor elveszti a stabilitását. Az ESP az irányeltérési szögsebességet méri, és ha ez eltér a normálistól, az ESP beavatkozik. Szükségtől függően vagy csak a kerekekre leadott vonóerőt mérsékli, vagy, ha ez kevésnek bizonyulna,
egymástól teljesen függetlenül fékezi a megfelelő kerekeket is.
4.2 Az ESP működése Tevékenység: jegyezze meg, hogyan avatkozik közbe az ESP alulkormányzottság, túlkormányzottság, illetve fékezés közbeni stabilitásvesztés esetén! Hirtelen irányváltásoknál két dolog történhet a kocsival: vagy az első (2. ábra, bal oldali rész), vagy a hátsó kerekei megcsúsznak (2. ábra, jobb oldali rész). És bár az autók alapvetően hajlamosak valamelyik viselkedésre (alul- vagy túlkormányzottság), többszörös irányváltásnál már nem lehet felkészülni egyértelmű reakcióra. Az ESP ilyenkor avatkozik be.
2. ábra Ha az autó saját függőleges tengelye körül valamilyen irányba túlzottan, vagy a kelleténél kisebb mértékben elfordul, megfelelő fékműködtetéssel korrigálható a viselkedése. Ha például a fara igyekszik kitörni, azaz a jármű túlkormányzott, a kanyarodási ív külső részén levő első kereket kell fékezni. Ha a jármű alulkormányzott, orra nem akar elfordulni, így az ív belső felén lévő hátsó kereket kell fékezni. Az sem elképzelhetetlen, hogy fékezés közben veszti el stabilitását az autó, ilyenkor a rendszer nem fékez erőteljesebben, hanem úgy csökkenti az egyes kerekeken a fékerőt, hogy a szükséges irányú és méretű visszatérítő nyomaték létrejöjjön. Más kérdés, hogy az ESP honnan tudja, hogy merre kellene mennie az autónak. A válasz egyszerű: a vezetőtől, aki a kormány elforgatásával kijelöli az
irányt. A számítógépnek azt is tudnia kell, hogy ténylegesen mit csinál a kocsi, ezt keresztgyorsulás, szöggyorsulás-érzékelők, valamint a kerékfordulatszámszenzorok figyelik. Ha a járművezető által a kormánykerékkel kijelölt, és a tényleges irány között különbség van, az ESP közbeavatkozik. Ehhez a blokkolásgátló rendszer kiépítettségét használja, amely elektrohidraulikus úton képes egy-egy kerék fékszerkezetét külön is működtetni. Tevékenység: az ábra alapján jegyezze meg, milyen egységekből áll az ESP, és azok hol helyezkednek el a járműben! A rendszer részegységei 1. ESP-hidraulikus egység 2. Kerék szögsebesség érzékelők 3. Kormány szögelfordulás érzékelő 4. Perdülési sebesség érzékelő 5. Motorvezérlő egység
3. ábra forrás: http://www.racq.com.au/__data/assets/image/0017/42245/esp_car3.JPG
Az ESP érzékelői Kormánykerék-elfordulási szögérzékelő: ezt az eszközt a 3.3 leckében már bemutattuk. Keresztgyorsulás-érzékelő
Tevékenység: a 4. ábra alapján magyarázza el a keresztgyorsulás-érzékelő működését! A keresztgyorsulás-érzékelő egy állandó mágnesből (1), egy Hall-jeladóból (4), egy csillapítólemezből (3) és egy rugóból (2) áll. A csillapító, a rugó és az állandó mágnes együtt egy mágneses rendszert alkot. Az állandó mágnes, amely össze van kötve a rugóval a csillapítólemez felett szabadon ide-oda lenghet. Ha a gépkocsira keresztgyorsulás is hat, akkor a csillapítólemez az állandó mágnes alatt elmozdul, amely a tömegtehetetlensége miatt késve mozdul el. Mozgás közben a csillapítólemezben örvényáramok keletkeznek, amelyek az állandó mágnessel ellentétes mezőt hoznak létre. Ezáltal az eredő mező gyengülését eredményezik, amely a Hall-feszültség változását okozza (ezt mérjük), amely arányos a keresztgyorsulás nagyságával.
4. ábra Perdülési sebesség érzékelő: ennek az eszköznek egy lehetséges kialakítását az 1.6 leckében már bemutattuk. Újabb rendszerekben a két szenzort egy házban egyesítik. Egy nyomtatott áramköri lapra szerelik, így kisebb a helyigényük, illetve pontosabb az egymáshoz képesti helyzetük. Tevékenység: az 5. ábra alapján magyarázza el a kondenzátoros keresztgyorsulás-érzékelő működését! Kondenzátoros keresztgyorsulás-érzékelő: egy kondenzátorlap egy mozgó tömeggel úgy van felfüggesztve, hogy ide-oda tudjon lengeni (5. ábra). Ezt a mozgó lapot két rögzítetten beépített kondenzátorlap szegélyezi. Így két kondenzátor (K1 és K2) keletkezik, amelyek sorba vannak kapcsolva. Az elektródákon keresztül lehet töltést mérni (C1 és C2 kapacitás), melyet a két kondenzátor tárol. Nyugalmi helyzetben mindkét kondenzátor töltése azonos, ha a szenzorra keresztgyorsulás is hat, akkor a tehetetlensége miatt a mozgó lemez elmozdul a gyorsulás irányával ellentétes irányban. Ez az elmozdulás megváltoztatja a lemezek távolságát és ezzel a kondenzátorok töltését, amelyet mérünk.
5. ábra Tevékenység: a 6. ábra alapján magyarázza el a perdületszenzor működési elvét! Perdület szenzor: a keresztgyorsulás érzékelővel egy lapon található, de helyileg elkülönítve. Működése: vezetőcsíkokkal ellátott lengőképes tömeg egy állandó mágneses mező északi és déli pólusa közé van felszerelve (6. ábra). Váltakozó feszültség hozzávezetésével a lengőképes tömeget a vezetőcsíkokkal elmozdítja, a bevezetett váltakozó feszültségnek megfelelően egyenes vonalon, úgy hogy az lengőmozgást végezzen. A jármű megpördülésekor a lengő tömeg tehetetlensége miatt megváltozik az ide-oda mozgás, így a vezetőcsíkok elektromos viselkedése is, amely a mérés alapját képezi.
6. ábra Forrás: Bosch – gépjárművek menetstabilizáló rendszerei
Önellenőrző kérdések
1. Fogalmazza meg, mi az ESP feladata!
2. Jelölje meg, hogyan avatkozik közbe az ESP alulkormányzottság esetén! A kanyarodási ív külső részén levő első kereket fékezi. A kanyarodási ív belső részén levő első kereket fékezi. A kanyarodási ív külső részén levő hátsó kereket fékezi. A kanyarodási ív belső részén levő hátsó kereket fékezi. Az egyes kerekeket úgy csökkenti a fékerőt, hogy a szükséges irányú és méretű visszatérítő nyomaték létrejöjjön. Mutassa a visszajelzést
3. Jelölje meg, hogyan avatkozik közbe az ESP, ha a jármű fékezés közben veszti el stabilitását! A kanyarodási ív külső részén levő első kereket fékezi. A kanyarodási ív belső részén levő első kereket fékezi. A kanyarodási ív külső részén levő hátsó kereket fékezi. A kanyarodási ív belső részén levő hátsó kereket fékezi. Az egyes kerekeket úgy csökkenti a fékerőt, hogy a szükséges irányú és méretű visszatérítő nyomaték létrejöjjön. Mutassa a visszajelzést
4. Az ábra alapján azonosítsa az ESP részegységeit! Írja be a megfelelő számot
a mezőbe!
Kormány szögelfordulás érzékelő ESP-hidraulikus egység Motorvezérlő egység Kerék szögsebesség érzékelők Perdülési sebesség érzékelő Elküld
5. Az alábbi ábra alapján magyarázza el keresztgyorsulás-érzékelő működését!
6. Az alábbi alapján magyarázza el a kondenzátoros keresztgyorsulás-érzékelő működését!
7. Az alábbi ábra alapján magyarázza el a perdületszenzor működési elvét!
Kiegészítő tananyag 1. Az ESP szabályozástechnikája A határtartományban végzett menetdinamikai szabályozásnak a jármű síkbeli szabadságfokait, hosszirányú sebességet, a keresztirányú sebességet és függőleges tengely körül elfordulási sebességet (perdülési sebességet) uralható határok között kell tartania. Rendszer- és szabályozásstruktúra Az ABS- és ABS/ASR rendszer továbbfejlesztett részegységeire épül, és lehetővé teszi az összes kerék nagy dinamikájú, aktív fékezés. A szabályozási körbe bevonja a jármű visekledését is, és a kerekekre ható fék-, vonó- és oldalerőket a mindenkori helyzetnek megfelelően úgy szabályozza, hogy a tényleges viselkedés közeledjen az előírt viselkedéshez. A motorirányító a CAN- csatlakozásokkal a motor nyomatékát és ezzel a kerekek hajtási csúszását befolyásolja. A menetdinamika szabályozás továbbfejlesztett részegységei a hossz és oldalirányű dinamikus erőket minden egyes keréken választás szerint egyidejileg és igen pontosan tudják szabályozni. (7. ábra)
8. ábra A menetdinamikai szabályzás elvi blokksémája ESP szabályzó rendszer sematikus ábrázolása (8. ábra): Az érzékelők adják a szabályozási bemenet jeleit Az ESP elektronika – különböző síkokban strukturált szabályzókkal (szabályozási hierarchia) együtt- amely a fölérendelt menetdinamikai szabályzókból és alárendelt csúszásszabályzókból áll. beavatkozó elemek (aktuátor) befolyásolják a fékező- vonó és oldalerőket.
9. ábra. A jármű menetdinamikai szabályozását szolgáló rendszer
2. Az ESP működése jellegzetes jármű forgalmi helyzetekben Hirtelen kormányzási manőverek és ellenkormányzás Sávváltások, gyors kormánymozdulatok a következő esetekben merülhet fel: egymás követő szűk kanyarokba történő gyors behajtáskor, hirtelen fellépő akadály kikerülése után gyorsan vissza kell térni a sávba
autópályán hirtelen befejezett előzési manővert kell végrehajtani A következő ábrán két jármű menetviselkedése látható (9. ábra) ESP-vel (2-es számú görbék) és ESP nélkül (1-es számú görbék) egy jobb-bal kanyarkombinációban végzett gyors kormányzás és ellenkormányzás esetén a következő feltételek között: jó tapadási tényező fékezés nélküli manőverezés kezdő sebesség 144 km/h
9. ábra A két jármű menetdinamikája ESP nélküli gépkocsi (1): Az első hírtelen kormány mozdulat után fennáll a veszélye annak, hogy a gépjármű instabillá váljon. A kormányelfordítás következtében az első kereken a legrövidebb idő alatt igen nagy oldalerők ébrednek, a hátsó kerekeken azonban csak késlelkedve növekszenek az oldalerők. A jármű függőleges tengelye körül befordul jobbra (befordító perdítő nyomaték). A szabályozatlan jármű nem reagál az ellenkormányzásra, vagyis uralhatatlanná válik. A perdülési sebesség és az úszási szög jelentősen megnő, a jármű kisodródik. ESP-vel felszerelt gépkocsi (2): Az első kormányfordítás után az instabilitás közeledtéhez a rendszer a baloldal első kerék megfékezésével stabilizálja, az ESP esetében ez aktív fékezés, mert a vezető közreműködése nélkül következik be. Ez a beavatkozás lecsökkenti a befelé fordító perdítő nyomatékot. A perdítési sebesség csökken és az úszási szög csak egy korlátozott értéket ér el. Az ellenkormányzás után először a perdítő nyomaték, majd perdülési sebesség hatásiránya megváltozik. Ezután a jobb első kerék fékjének rövid működtetése teljes stabilizálást eredményez. A jármű a kormány
elfordítási szögével kijelölt menetirányt követi. Sávváltás teljes fékezéssel Ha egy veszélyhelyzet csak későn ismerhető fel, a teljes fékezés nem elegendő ahhoz, hogy a vezető a gépkocsit idejében megállítsa, az ütközés elkerülése érdekében még sávot is kell váltani. A két jármű közül az egyik jármű csak blokkolásgátlóval felszerelt (a 10. ábra felső részén), a másik ESP-vel is fel van szerelve (10. ábra alsó része). Mindkét jármű sebessége 50km/h és síkos úttesten halad. Az ábrán a fekete pontok bójákat jelölnek, a kis négyszögek felborított bójákat, a nagy fekete téglalap pedig egy úton lévő akadály.
10. ábra A két jármű menettulajdonságai (A kép nagyobb változatát itt találja!) Az ABS-el felszerelt gépjármű már az első kormánymozdulatnál az úszási szög és a perdítési sebesség olyan nagyságúra növekszik, hogy a vezetőnek a fékezés közben ellenkormányzást kell alkalmaznia. Ezáltal ellentétes irányú úszási szög lép fel és gyorsan növekszik. A vezető ismételt gyors ellenkormányzásra kényszerül. Még éppen sikerül stabilizálni a gépjárművet és az útfelületen maradnia. Az ESP-vel is szerelt gépjármű, stabil, mert a perdülési sebesség és az úszási szög könnyen kézben tartható értékre csökken. A vezető teljes mértékben tud koncentrálni a kormányzási manőverre, mert a gépjármű stabil marad. Ebből adódóan az ESP-vel szerelt gépjármű fékútja rövidebb, mint amely csak ABS-sel van szerelve. Többszörös kormányzás és ellenkormányzás, növekvő kormánykerék elfordítással Több bal- és jobbkanyarból álló kanyarsorozaton áthaladva rendkívül dinamikus, növekvő kormány elfordítással végzett vezetési manőver során különösen jól megmutatkozik az ESP hatásmódja. ESP nélküli jármű állandó sebesség tartásához folyamatossan növelni kell a motor teljesítményét. Emiatt azonban állandóan növekszik a hajtott kerekek hajtási csúszása is. A kormányzás és ellenkormányzás közötti átváltás közben
a hajtási csúszás olyan nagy, hogy a szabályozás nélküli jármű instabillá válik. A következő váltásra a jármű már nem reagál, kisodródik. Megközelítőleg állandó keresztirányú gyorsulás közben erőteljesen növekszik az úszási szög és a perdülési sebesség. Gépkocsi ESP-vel való manőverezéskor már igen hamar beavatkozik, mert má kezdetkor fenyeget az instabilitás veszélye. Itt ugyan úgy megtörténik a motor beavatkozás, és a kerekek egyenkénti fékezése. Így a jármű stabil marad és követi a kormánymozdulatokat. A rendszer szabályozza az úszási szöget és a fellépő perdülési sebességet. Gyorsítás/ lassítás kanyarban Ha egy kanyar befelé haladva szűkül, vagyis csökken a sugara, mint például az autópálya-kijáratok esetébe gyakran előfordul- változatlan sebesség esetén a kifelé irányuló erő, a centrifugális erő növekszik. Ilyen helyzet áll fenn, ha a kanyarból kifelé haladva túl hamar kezdődik meg a gyorsítás, ami ugyanezzel a hatással jár. Ugyanígy a sugár és érintőleges irányú erők rontják a jármű stabilitását, ha a vezető túl erőteljesen fékez a kanyarban. ESP nélkül gépkocsi: Amikor a jármű a fizikai határtartományban kerül, és először alulkormányzottá válik. A szükséges kormányelfordítás igen gyorsan növekszik. Ezzel egyidejűleg az úszási szög is erősen nő. A vezetőnek még éppen sikerül a körpályán tartani. Azonban amikor instabillá válik a sebesség növekedéssel, a hátulja kitör, a vezetőnek ellen kell kormányoznia, és elhagyja a kört. Gépkocsi ESP-vel: A vezetőnek sebesség növelésre irányuló akarata azonban nem valósul meg, mert jármű már a stabilitás határán mozog. Az ESP a motor működésébe beavatkozva korlátozza a hajtónyomatékot. A motor- és fék működésébe történő aktív beavatkozás a jármű alulkormányozottság hajlama ellen hat. Ezáltal kismértékű eltérések adódnak a kijelölt iránytól, amelyeket azomban megfelelő kormánymozdulatokkal korrigál. A vezető tehát a szabályozási kör részévé válik. Az ESP stabil tartományban tartja a jármű haladását.
11. ábra Gyorsítás kanyarban
12. ábra Lassítás kanyarban
Források Kőfalusi Pál – ABS-től az ESP-ig http://origo.hu http://volkswagen.hu Bosch – Gépjárművek menetstabilizáló rendszerei
Modulzáró feladatok 1. Jelölje meg, milyen elven működik az ablakmozgató mechanizmusok esetén a becsípődés gátló! Ha az üveg elakad, akkor a mozgató motoron csökken a feszültség, csökken a fordulatszám. Ebből számít a rendszer egy nyomatékértéket,
ami ha túllép egy adott szintet, akkor leállítja a motort. Ha az üveg elakad, akkor a mozgató motoron megnő a feszültség, csökken a fordulatszám. Ebből számít a rendszer egy nyomatékértéket, ami ha túllép egy adott szintet, akkor leállítja a motort. Ha az üveg elakad, akkor a mozgató motoron megnő a feszültség, csökken a fordulatszám. Ebből számít a rendszer egy nyomatékértéket, ami ha kisebb egy előre adott értéknél, akkor leállítja a motort. Mutassa a visszajelzést
2. Jelölje meg, hogy az alábbiak közül melyek a légzsák feladatai ütközéskor! Az ütközés pillanatában felfúvódjon fel. Megakadályozza az utasoknak a jármű részeihez való ütközését. Az utasok elmozdulását fokozatosan lassítsa le. Ütközés után meg kell tartania a benne levő nyomást. Mutassa a visszajelzést
3. Az alábbi ábra alapján azonosítsa az egyes légzsákfajtákat! Írja be a megfelelő számot az egyes megnevezések mellé! (Az öt számból négyet kell beírnia!)
Oldallégzsák Függönylégzsák Utasoldali légzsák Térdlégzsák Elküld
4. Jelölje meg, hogyan avatkozik közbe az ESP túlkormányzottság esetén! Az egyes kerekeket úgy csökkenti a fékerőt, hogy a szükséges irányú és méretű visszatérítő nyomaték létrejöjjön. A kanyarodási ív külső részén levő első kereket fékezi. A kanyarodási ív belső részén levő első kereket fékezi. A kanyarodási ív külső részén levő hátsó kereket fékezi. A kanyarodási ív belső részén levő hátsó kereket fékezi. Mutassa a visszajelzést
5. Jelölje meg, hogyan avatkozik közbe az ESP, ha a jármű fékezés közben veszti el stabilitását! A kanyarodási ív külső részén levő első kereket fékezi. Az egyes kerekeket úgy csökkenti a fékerőt, hogy a szükséges irányú és méretű visszatérítő nyomaték létrejöjjön. A kanyarodási ív belső részén levő első kereket fékezi. A kanyarodási ív külső részén levő hátsó kereket fékezi. A kanyarodási ív belső részén levő hátsó kereket fékezi. Mutassa a visszajelzést
6. Az ábra alapján azonosítsa az ESP részegységeit! Írja be a megfelelő számot a mezőbe!
ESP-hidraulikus egység Perdülési sebesség érzékelő
Kormány szögelfordulás érzékelő Motorvezérlő egység Kerék szögsebesség érzékelők Elküld
