ТЕМА НОМЕРА |
E-Type, или Электронный автомобиль РОМАН КОСЯЧКОВ rk@computerra.ru
Скептицизм... есть компас цивилизации.
Генри Форд
Карл Бенц (1844-1929) и Готлиб Даймлер (1834-1900) вложили в свои первые "безлошадные повозки" с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) столько инженерного гения, что принятые как лично ими, так и позаимствованные у предшественников технические решения до сегодняшнего дня определяют конструкцию любого, даже самого современного автомобиля.
Конструкция АБС не очень сложна, однако требует высокой культуры проектирования, производства и эксплуатации. Поэтому не удивительно, что отечественный автопром не балует нас подобными системами. В состав простейшей АБС входят блок управления (естественно, электронный), завязанный на него гидромодуль, включенный в общую тормозную систему автомобиля, датчик вращения колес и зубчатый диск, установленный на оси колеса и вращающийся вместе с ним. Система работает следующим образом: при торможении датчик отслеживает скорость вращения колеса по зубчикам диска, и в тот момент, когда колеса блокируются, датчик подает сигнал на блок управления, который, в свою очередь, подает команду гидромодулю на снижение давления тормозной жидкости в контурах системы. По мере снижения давления тормозные колодки отпускают колеса, и те начинают вращаться - сцепление колес с дорогой и управляемость при торможении не пострадали. Можно продолжить торможение, повторяя цикл многократно до тех пор, пока водитель продолжает удерживать педаль тормоза нажатой. В результате тормозной путь автомобиля с АБС на скользкой дороге уменьшается примерно на 10-15%. Согласитесь, что это как раз те пять, а то и десять метров, которых не хватает, чтобы избежать столкновения. И не будем забывать, что автомобиль с АБС во время торможения управляем, то есть всегда остается возможность совершить необходимый маневр. Современные АБС намного сложнее. Как только появилась возможность использовать в качестве электронного блока управления компьютер, функциональность АБС резко повысилась. Установка дополнительных датчиков, например, угла поворота передних колес или скорости поворота машины вокруг вертикальной оси, позволяет компьютеру еще более "интеллектуально" управлять тормозами, а на последних моделях автомобилей - еще и тягой. Разное тормозное усилие на передних и задних колесах или, в другом случае, колесах внешних или внутренних по отношению к повороту, позволяет сделать движение автомобиля стабильным и предотвратить занос. Подобная система, корректирующая движение на повороте и реализованная в основном программно, получила название ESP (Electronic Stability Program - программа электронной стабилизации). Выпускают системы ESP фирмы Bosch (устанавливается на многих европейских автомобилях), Delphi (система Stabilitrac на автомобилях Cadillac) и другие. Приведу конкретные примеры современных систем. "Фольксваген-Гольф" (Volkswagen Golf) нового, четвертого поколения оснащен уже не просто АБС, а системой автоматической стабилизации управления (ASMS), которая помимо антиблокировочной функции выполняет и антипробуксовочную. Система тягового контроля (ASR), входящая в состав ASMS, позволяет путем регулирования подачи топлива предотвратить пробуксовку колес при трогании автомобиля на дороге со скользким или неоднородным покрытием. То есть ASMS действует постоянно, а не только при нажатой педали тормоза. В автомобилях Mercedes-Benz различных моделей - несколько иной набор систем: Anti-lock braking system (ABS), Electronic Traction System (DTS), Acceleration Skid Control (ASR), Electronic Stability Program (ESP) и Brake Assist System (BAS). Подробнее о некоторых из них можно прочитать во врезках. И несколько слов о перспективах тормозных систем - так называемых brake by wire (торможение по проводам). Суть идеи проста: педаль тормоза, которую нажимает водитель, не имеет прямой связи с гидравлической или пневматической тормозной системой. Нажатие педали воспринимает только блок управления тормозной системой, и именно он, используя данные о положении машины в пространстве, ее скорости и нагрузке, качестве дорожного покрытия, погодных условиях и т. п., рассчитывает усилие торможения отдельно для каждого колеса. Это - логическое продолжение и углубление роли цифровых систем в управлении агрегатами автомобиля. Лидером здесь является фирма Bosch (www.bosch.com), которая разрабатывает и предлагает несколько вариантов технологии brake by wire. В частности, система EBS (электропневматическая для грузовиков) уже применяется в некоторых моделях магистральных грузовиков Scania и в Mercedes-Actros. Система ЕНВ (электрогидравлическая для легковых автомобилей) нашла свое место в новейших моделях легковых автомобилей компании DaimlerChrysler. И, наконец, ближайшей перспективой является ЕМВ - электромеханическая система торможения, в которой не будут применяться ни пневматические, ни гидравлические приводы тормозов. Тормозное усилие, управляемое бортовым компьютером, будет создаваться с помощью электромоторов или чего-то в этом роде. Но хватит о тормозах. Не меньший интерес представляют агрегаты, обеспечивающие прямо противоположную функцию. Активная подвеска Динамические свойства автомобиля определяет целый ряд взаимосвязанных факторов. Это мощность и крутящий момент двигателя, аэродинамическая чистота кузова, кинематические свойства подвески, характеристики трансмиссии и многое другое. Вполне естественно, что возможности, предоставляемые современной цифровой техникой, нашли применение в управлении и этими автомобильными агрегатами. Началось все, видимо, с двигателей и коробок передач, а затем интеллектуальность стали приобретать подвеска и даже кузов. Впрочем, все по порядку. Ближе всего к дороге находятся, как известно, колеса и подвеска. Именно они подвергаются самым тяжелым условиям эксплуатации. А требования, например, к подвеске весьма противоречивы. С одной стороны, она должна быть очень мягкой, чтобы исключить отрыв колес от дорожного полотна при наезде на неровность. Колесо должно катиться по дефектам покрытия, а не подпрыгивать на них. И дело здесь не только в комфорте водителя и пассажиров. Мягкая подвеска обеспечивает практически постоянный контакт колеса с дорогой, что естественным образом влияет на динамику автомобиля, так как реже возникает пробуксовывание, улучшается управляемость и намного эффективнее становится торможение. Плюс повышенные нагрузки и вибрация рано или поздно выведут из строя любые агрегаты, от двигателя и коробки передач до бортовой электроники. С другой стороны, подвеска должна быть очень жесткой, чтобы не возникали опасные крены на поворотах, а также клевки, разгружающие переднюю или заднюю оси автомобиля при разгоне и торможении. Очень важное значение имеет и геометрия подвески. Только у неподвижного автомобиля, стоящего на ровной поверхности, причем правильно загруженного, колесо перпендикулярно дороге, и шина имеет оптимальное пятно контакта. Как только автомобиль начинает двигаться, колесо, естественно, начинает перемещаться при контакте с неровностями и, так как колесо через элементы подвески крепится к кузову, а не катится свободно, эти перемещения далеки от идеальной вертикали. Следствие очевидно: пятно контакта постоянно меняет свой размер. И еще требования к подвеске. На плохих дорогах кузов должен быть подальше от дорожного полотна, чтобы не задевать неровности, а на хороших - как можно ближе к полотну, чтобы эффективно использовать на больших скоростях прижимную аэродинамическую силу кузова. В случае же возникновения колебаний элементы подвески должны быстро и эффективно их гасить. Перечисленные требования пытаются реализовать уже давно. С целью повышения мягкости подвески ее стали делать независимой и всеми возможными способами снижают так называемые неподрессоренные массы. Для того чтобы колесо при контакте с неровностью перемещалось в основном в вертикальной плоскости (и сохраняло при этом пятно контакта), разработаны различные варианты геометрии подвесок, от простейших - на продольных рычагах до современных многорычажных. Идеальной геометрической схемы подвески, характеристик амортизаторов и т. п. до сих пор добиться не удалось - требования слишком противоречат друг другу. Стало ясно, что одной механикой здесь не обойтись, и в ход пошла гидропневматическая подвеска, долгое время являвшаяся характерной особенностью автомобилей французской фирмы Citroen. Однако гидропневматика по большому счету позволяла лишь изменять дорожный просвет и жесткость подвески в зависимости от дорожных условий. Интерактивной реакции (реакции в режиме реального времени) она обеспечить не в состоянии. Решить все проблемы в комплексе может только электроника, и в конце концов появилась активная подвеска. Суть идеи довольно проста: на автомобиле устанавливаются датчики, постоянно отслеживающие продольные, поперечные и вертикальные ускорения. Данные поступают в бортовой компьютер и там обрабатываются. При наезде на препятствие датчиком регистрируется вертикальное ускорение, бортовой компьютер через гидропневматику снижает жесткость конкретного элемента подвески, и колесо мягко перекатывается через неровность. Или, допустим, на повороте крен кузова превысил допустимый. Бортовой компьютер выдает команду, гидропневматическая система увеличивает жесткость соответствующего элемента подвески, и крена как не бывало. Очень важным при этом является тот факт, что клиренс (расстояние от дороги до нижней поверхности кузова) остается постоянным, следовательно, аэродинамические свойства кузова не изменяются. Конечно, на самом деле все не так просто. Кузов автомобиля при движении подвергается огромному количеству одновременных воздействий, разных по направлению и силе. Обработать их все и выработать оптимальную реакцию - непростая задача для бортового компьютера. Это сложная электроника и еще более сложное программное обеспечение, навыками написания которого обладают в мире буквально несколько человек. Достаточно сказать, что активная подвеска впервые появилась в 1983 году на болиде Формулы 1 Lotus-92, а ее реально работоспособный вариант под названием Active Mark III удалось создать только через четыре года. Кстати, нынешним техническим регламентом Формулы 1 активная подвеска запрещена. Однако усилия конструкторов не пропали даром. Активная подвеска (по крайней мере, ее элементы), управляемая мощным бортовым компьютером, постепенно проникает на серийные образцы и, видимо, повторит успешную судьбу АБС.
Двигатели и коробки передач Без нашего внимания остались пока двигатели и коробки передач. Но это поправимо, и начнем мы с моторов. Достижения электроники в целом и цифровой в частности двигателестроители уже давно взяли на вооружение. Цифровые системы управляют системой охлаждения двигателя, зажиганием, смесеобразованием и т. п. Кратко рассмотреть все эти подсистемы не представляется возможным, поэтому ограничимся буквально одним аспектом, а именно впрыском. То, что карбюраторные двигатели постепенно вытесняются впрысковыми, видно невооруженным глазом. Более высокие удельная мощность и экономичность, пониженная токсичность выхлопа подвигли на применение впрыска даже отечественных производителей, в частности, такие двигатели появились на ВАЗовских "Самарах" и "Десятках", а тюнинговые фирмы предлагают впрыск даже для "Оки". Первый двигатель с впрыском появился еще в 1912 году, к началу 50-х относится первый опыт его применения в автомобилях, а в 1967 году фирма Bosch предложила его первый электронный вариант - "Д-Джетроник" (D-Jetronic). За прошедшие годы электронный впрыск прошел несколько этапов совершенствования, и, если продолжить разговор о продукции фирмы Bosch, в настоящее время наибольшее применение нашла система электронного впрыска "Мотроник" (Motronic). В "Мотронике" почти не осталось механических частей, и буквально всеми аспектами подачи топлива в цилиндр управляет бортовой компьютер. Зато датчиков и электронных регуляторов - великое множество. Например, датчик количества кислорода в отработавших газах (лямбда-зонд), датчик-распределитель зажигания, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик положения и числа оборотов коленчатого вала, датчик положения дроссельной заслонки, датчик расхода воздуха, датчик детонации, регулятор давления топлива, регулятор холостого хода, регулятор фазы, регулятор-ограничитель максимальных оборотов, устройства управления наддувом и длиной впускного коллектора и т. д. Этот перечень можно продолжать долго, и чем выше класс машины, тем больше функций по управлению как впрыском, так и двигателем в целом берет на себя электроника. Вместе с тем подобные системы уже невозможно обслуживать и ремонтировать собственными силами. Для этого необходим специализированный сервис с высокопрофессиональным персоналом. И буквально пару слов о наиболее бурно развивающемся сегодня направлении - автоматических коробках передач с электронным управлением. Добиться их эффективной работы можно только в том случае, если не только коробкой, но двигателем управляет бортовой компьютер. Для того чтобы автоматическая коробка вовремя переключала передачи, ей необходимо знать количество подаваемого топлива, скорость, тяговое усилие, состояние дорожного покрытия, режимы работы сцепления и тормозов. Более того, отдельными параметрами работы двигателя коробка передач должна даже управлять, в частности, подачей топлива. Если все эти вопросы решены в комплексе, то педаль сцепления требуется только для трогания автомобиля с места, а в некоторых автоматических коробках передач с электронным управлением они и вовсе не нужна. Именно такими коробками передач оснащены современные магистральные тягачи Mercedes-Actros (система Telligent) и Iveco (система Eurotronic). На легковых автомобилях высшего класса автоматические коробки передач с электронным управлением становятся базовыми, а на автомобилях низших классов часто предлагаются как опция. Эффект от применения подобных коробок довольно велик. Прежде всего, значительно улучшаются условия работы водителя и несколько снижается расход топлива, так как электроника значительно точнее человека может подобрать соответствующую данным условиям движения передачу. И еще один момент. Электроника не делает ошибок, свойственных неопытному водителю, поэтому средний срок службы как трансмиссии, так и в какой-то степени двигателя увеличиваются. Впрочем, у автоматических коробок передач есть и недостатки. Программное обеспечение, управляющее переключением передач, пока не может обеспечить автомобилю сравнимую с механикой разгонную динамику. Однако результаты, достигнутые инженерами Формулы 1, где отдельные элементы этой проблемы уже решены (в частности, электроника переключает передачи за 100 мс против 250 мс у механики), со временем будут внедрены и в серийную технику. Тогда будет преодолено последнее препятствие для повсеместного распространения "электронной автоматики", и автомобили лишатся рычагов коробок передач и педалей сцепления. Ну и бог с ними. Подводя итог вышесказанному, мы вполне обоснованно можем говорить о постепенном формировании нового типа автомобиля - E-type, или электронного автомобиля. А то, что название явно созвучно "Мерседес-Бенцам" Е-класса, даже в какой-то степени символично. В конце концов, автомобили именно этой марки, если не этого поколения, так следующего, являются одними из самых вероятных претендентов на звание первого е-автомобиля.
Ваши предложения и замечания ждем по адресу: tails@computerra.ru
|
Предыдущая рубрика: РОМАНОВСКИЕ НИКЧЕМУШКИ
Любимец века РОМАН КОСЯЧКОВ От рассвета до заката РОМАН КОСЯЧКОВ E-Type, или Электронный автомобиль РОМАН КОСЯЧКОВ E-Type, или Интернет-автомобиль РОМАН КОСЯЧКОВ |