Математическое моделирование и исследование электромагнитных элементов автомобильных систем управления

Современные автоматизированные системы управления открывают перед автомобилестроением новые перспективы. Они осуществляют управление пуском ДВС, регулируют подачу топлива в двигатель автомобиля, контролируют давление жидкости в тормозной системе и т. д. Таким образом, создание высоконадежных автоматизированных систем управления в полной мере отвечает требованиям по повышению конкурентоспособности автомобилей. В настоящее время одной из основных задач, которую необходимо решить при проектировании автомобиля является интеграция разработанных и вновь разрабатываемых компонентов в связанные между собой автоматизированные системы управления его различными агрегатами.

Автомобильные системы управления имеют сложную структуру и требуют больших временных затрат на их разработку и изготовление. Первой особенностью автоматизированной системы управления является ее многоцелевая организация. Для реализации работы необходимо, чтобы система управления быстро реагировала на разнообразные сигналы, поступающие от различных датчиков. Эти сигналы обрабатываются в блоке управления, после чего подается команда на исполнительные элементы. Кроме того, система управления должна иметь возможность расширения функциональных возможностей за счет внесения в ее сетевую структуру дополнительных элементов по требованию заказчика для соответствия нормам страны, куда поставляется автомобиль.

Второй особенностью любой системы управления в автомобиле является требование обеспечения устойчивой работы в нестандартных ситуациях. Для этой цели необходимо устройство, которое при появлении сбоев передает управление специальной части программы, обеспечивающей реакцию на ошибку. Способность автоматизированной системы работать в различных условиях эксплуатации должно закладываться на самых ранних этапах проектирования и влиять на разработку исполнительных и программных средств.

Таким образом, чтобы сделать системы управления агрегатами автомобиля более общими и адекватными реальным задачам, следует развивать их в двух направлениях. Во-первых, необходимо обеспечить их многоканальными управляющими логическими схемами, в функции которых входит анализ поступающей от датчиков информации и выдача управляющей команды на исполнительные элементы. Во-вторых, важно иметь высоконадежные исполнительные элементы, причем повышение надежности не должно развиваться за счет увеличения их габаритов и массы.

В автомобильных системах управления используются различные исполнительные элементы. Это могут быть либо электродвигатели, либо электромагниты. Иногда нагрузкой для выходного каскада системы управления является индуктивность (катушка системы зажигания). В таблице 1 перечислены основные системы управления и виды применяемых в них исполнительных элементов.

Таблица 1.

Система автомобиля Исполнительный элемент.

Система управления электростартерным пуском двигателя Электромагнит.

Электронная система управления двигателем Электромагнит.

Антиблокировочная система тормозов Электромагнит.

Система управления сцеплением Электромагнит.

Система газораспределения Электромагнит.

Блокировка линии выбора заднего хода Электромагнит.

Система зажигания Катушка.

Система блокировки замков дверей Электродвигатель.

Электроусилитель рулевого управления Электродвигатель.

Климатическая установка Электродвигатель.

Управление стеклоочистителями Электродвигатель.

Управление стеклоподъемниками Электродвигатель.

Одновременно значительно повышаются требования к надежности систем управления, которые в большей мере определяется работоспособностью входящих в них исполнительных элементов в любых возможных эксплуатационных режимах. Анализ конструкций электромагнитов, применяемых в качестве исполнительных элементов в различных автомобильных системах управления (форсунки подачи топлива в системе электронного впрыска, тяговое реле стартера в системе управления электростартерным пуском, клапаны мультипликатора давления в системе АБС и т. д.) показывает, что они выполняются на базе электромагнитов постоянного тока с втяжным якорем.

Требования, предъявляемые к электромагнитным элементам в различных системах, отличаются между собой. В ряде случаев электромагнитные элементы предназначены для приведения в действие и удержания в определенном положении деталей исполнительного механизма, поэтому их расчет и конструирование должны быть неразрывно связаны с проектированием механизма, являющегося для них нагрузкой. Вытекающее из сказанного требование о необходимости согласования характеристик электромагнитного элемента и исполнительного механизма является важным условием его нормальной работы в эксплуатации. Так в системе управления электростартерным пуском от реле стартера требуется тяговое усилие, необходимое для введения шестерни привода стартера в зацепление с венцом маховика ДВС. Для этого важно при его проектировании наиболее точно согласовать тяговую характеристику реле с характеристикой противодействующих усилий пружин. Согласование характеристик дает возможность разработать реле с минимальными габаритами и массой.

Многие, часто противоречащие друг другу требования к двигателю внутреннего сгорания (ДВС), как, например, высокая мощность, малый расход топлива, низкая токсичность отработавших газов при применении электронной системы управления двигателем (ЭСУД), могут быть оптимально согласованы между собой. При этом объединяются системы, управляющие различными процессами. Так в системе ЭСУД объединены система топливоподачи и система зажигания. Они управляются с помощью одного контроллера по общим оптимизационным критериям. Благодаря цифровой обработке параметров стало возможным преобразовывать большой массив эксплуатационных режимов в многопараметровые характеристики впрыска топлива и зажигания. Благодаря системе ЭСУД стало возможным выполнять законодательные предписания по токсичности отработавших газов, требования которых постоянно повышаются.

В настоящее время действующие в России требования к содержанию токсичных веществ в выхлопных газах автомобилей, соответствующих нормам Евро-2, не должно превышать СО = 2,2 г/км, а (СН + NOx) = 0,5 г/км. Совершенно ясно, что эти требования в дальнейшем будут ужесточаться. Примером этого могут служить экологические законы, принятые в странах Европы.

Электромагнитные элементы, применяющиеся в системе ЭСУД и используемые в качестве электромагнитных форсунок подачи топлива должны обладать необходимыми динамическими свойствами. В основном это касается времени срабатывания, которое регламентируется, исходя из предъявляемых к системе требований по точности дозировки подаваемого в цилиндры двигателя топлива.

Аналогичным требованиям по быстродействию должны удовлетворять и электромагнитные элементы, используемые в антиблокировочной системе тормозов. Быстродействие этих элементов обеспечивает точность регулирования давления в тормозной системе автомобиля для исключения блокировки колес, чтобы автомобиль одновременно с эффективным торможением не терял управляемости.

В настоящее время перспективной считается разработка для ДВС системы газораспределения (ГРМ), основанной на применении электромагнитных клапанов. Механическая система газораспределения с кулачковым валом не может обеспечить гибкость установки фаз клапанного распределения в любых режимах работы. В отличие от обычных систем, управляемых кулачновым валом, система с электромагнитным приводом клапанов позволяет сделать установку фаз клапанного распределения полностью независимой от положения коленчатого вала. В этом случае момент открытия и закрытия клапанов определяется блоком управления по результатам обработки информации, полученной от датчиков. Дополнительная гибкость фаз клапанного распределения обеспечит контроль над зарядом воздуха и остаточными газами в цилиндрах двигателя. Кроме того, повышение скорости открытия клапанов дает возможность качественной продувки цилиндров при выхлопе и заполнения топливной смесью при впуске. Внедрение этих мероприятий позволяет повысить топливную экономичность.

Иногда электромагнитные элементы применяются для решения частных задач повышения удобства управления автомобилем. Примером такого использования электромагнитов является блокировка выбора линии заднего хода. Блокировка предназначена для предотвращения ошибочного включения заднего хода вместо первой передачи при трогании автомобиля. Требования к таким электромагнитным элементам минимальны и сводятся только к величине развиваемого усилия, которое должно обеспечивать перемещение якоря для блокирования возможности ошибочного включения передачи.

Описанию процессов, происходящих в электромагнитных элементах и разработке методов их моделирования, посвящено большое число работ, однако до сих пор предлагаемые методы еще не в полной мере удовлетворяют требованиям практики. Трудность их расчета в основном определяется сложным характером распределения магнитного поля, зависящего от большого числа параметров. Это связано, прежде всего, с тем, что величина рабочего воздушного зазора изменяется в больших пределах, что приводит к возникновению значительного потока рассеивания, соизмеримого с рабочим потоком, поэтому, несмотря на простоту конструкции, процессы в электромагнитных элементах требует для своего описания сложного математического аппарата и громоздких вычислений. Ситуация еще более осложняется тем, что расчет приходится вести с учетом большого различия в степени насыщения отдельных частей магнитной системы.

При проектировании электромагнитных элементов необходимо знать диапазон возможного разброса их характеристик. Изменения характеристик возможны за счет отклонений размеров и свойств материалов, из которых изготовлен электромагнит, а также за счет колебания температуры и питающего напряжения. Для обеспечения надежной работы следует проверять, чтобы возможные крайние отклонения характеристик электромагнитов не явились причиной сбоев и отказов устройств, которые они приводят в действие. Хотя невыгодное предельное сочетание размеров, свойств материалов и внешних факторов маловероятно, для повышения надежности обычно исходят из их возможной реализации.

При разработке технических мероприятий необходим комплексный анализ целесообразности их внедрения, поэтому дальнейшее развитие и совершенствование электромагнитных элементов невозможно без всестороннего анализа существующих условий их работы. Учет условий эксплуатации должен вестись как с целью приспособления исполнительных элементов к ним, так и определения путей снижения влияния негативных факторов на их эксплуатационные характеристики, надежность и долговечность.

Таким образом, разработка технических вопросов конструкции электромагнитных элементов, применяющихся в автомобильных системах управления, невозможна без применения метода теоретического моделирования их работы, что является составной и неотъемлемой частью процесса их проектирования. Реализация этой концепции требует подхода, учитывающего взаимодействие различных сторон этого процесса, т. е. задача состоит в обосновании выбора параметров электромагнитных элементов, исходя из заданных эксплуатационных характеристик и минимизации затрат на их производство и эксплуатацию. Поставленную задачу можно решить, выполняя расчетные исследования конструкций электромагнитных элементов с различными параметрами на основе методики, расчетные данные которой достаточно точно совпадают с данными эксперимента. Методика моделирования электромагнитных элементов, должна позволять быстро и качественно определить влияние каждого из конструктивных параметров на характеристики разрабатываемых элементов с целью изменения их свойств в нужном направлении и рационального выбора параметров в каждом конкретном случае. Кроме того, достижение необходимой точности расчета любого электромагнитного устройства невозможно без применения вычислительной техники, следовательно, применяемая для этого методика должен удовлетворять требованиям алгоритмизации.

Разработка быстродействующих исполнительных элементов для автомобильных систем управления, работающих в динамическом режиме, таких как электромагнитная форсунка впрыска топлива, требует наличия методики моделирования динамики их работы с учетом всех конструктивно-технологических параметров и степени насыщения различных участков магнитной системы. Кроме этого, при определении динамических характеристик необходимо учитывать вихревые токи, возникающие в элементах магнитной системы электромагнита и оказывающих значительное влияние на его характеристики.

Учитывая изложенное, можно подвести итог, что решение задачи минимизации отказов в различных режимах работы может быть обеспечено в значительной степени путем структурного синтеза автомобильных систем управления, основным исполнительным элементом которых является втяжной электромагнит постоянного тока. Таким образом, совершенствование конструкции и методов моделирования последнего является большим резервом повышения надежности автомобиля в целом. Если к тому же учесть, что автомобильные системы управления являются массовой продукцией, задача исследования их исполнительных элементов является актуальной, а разработка таких элементов в соответствии с требованиями систем управления дает большой эффект повышения потребительских свойств автомобиля в целом.

Цель диссертационной работы — теоретическое и экспериментальное исследование электромагнитных элементов автомобильных систем управления с учетом неравномерного насыщения стали магнитопровода и влияния вихревых токов для выполнения предъявляемых к ним системных требований и уменьшения зависимости характеристик от изменения внешних факторов.

На защиту выносится:

— математическая модель электромагнитного элемента, отличающаяся от известных функциональной связью между параметрами электромагнитного элемента и его динамическими характеристиками и позволяющая исследовать многофакторные переходные процессы включения и выключения динамических электромагнитных систем;

— методика моделирования электромагнитных элементов в переходных режимах, отличающаяся от известных алгоритмом расчета их характеристик и позволяющая быстро и с достаточной для практики степенью точности определять динамические свойства электромагнитных элементов с учетом неравномерного насыщения стали магнитной системы;

— методика определения вихревых токов, возникающих при переходных процессах в электромагнитных элементах, отличающаяся от известных учетом влияния поверхностного эффекта на их распределение в материале магнитопровода и позволяющая повысить точность моделирования динамических режимов.

— ранее неизвестная взаимосвязь индуктивности электродвигателя стартера со встроенным редуктором с динамическими характеристиками его тягового реле, оказывающая негативное влияние на работу силовых контактов реле и контактов замка зажигания.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Электромагнитные элементы автомобильных систем управления являются одними из основных элементов систем управления и служат для привода регулирующих органов, управляющих процессами, происходящими в агрегатах автомобиля. При этом существует противоречие между стоимостью, массогабаритными показателями электромагнитных элементов и системными требованиями, предъявляемыми к ним. Сформулирована постановка задачи исследования диссертационной работы.

2. Для решения поставленной в диссертационной работе задачи разработана простая и оригинальная математическая модель, связывающая геометрические размеры, параметры обмотки, свойства материала магнитной системы, а также и характеристику противодействующих усилий приводного механизма, и массу подвижных частей с динамическими характеристиками электромагнитного элемента. В математической модели динамики электромагнитного элемента получены аналитические выражения развиваемого усилия, дифференциальной индуктивности и скорости изменения потокосцепле-ния обмотки при изменении рабочего воздушного зазора.

3. Разработана методика, которая позволяет на основе математической модели, обеспечивать легкость задания исходных данных и быстроту расчета на ПК с достаточной для практики степенью точности определения динамических характеристик, а также учитывать неравномерное насыщение стали и влияние поверхностного эффекта на распределение вихревых токов, возникающих в деталях магнитопровода. Для использования составленной на основе методики программы не требуется специальных знаний по программированию и теории электромагнитного поля.

4. Предложенный алгоритм быстрого определения динамических характеристик позволяет существенно облегчить нахождение оптимального варианта конструкции электромагнитных элементов, путем проведения специалистом экспертной оценки полученных результатов расчета большого числа вариантов.

5. На основе разработанной методики моделирования спроектированы электромагнитные элементы автомобильной системы электростартерного пуска и электронной системы управления двигателем с улучшенными характеристиками для выполнения системных требований.

6. Результаты диссертационной работы получили свое воплощение в виде внедрения в промышленности, научно-исследовательской организации и высшем учебном заведении. Методика моделирования использовалась:

— в научно-исследовательских работах ФГУП «Парсек» г. Тольятти;

— при проектировании реле стартеров 5702.3708 и 29.3708, выпускаемых АО «ЗИТ» г. Самара;

— в учебном процессе по курсу «Электрические и электронные аппараты автомобилей и тракторов» на кафедре «Автотракторное электрооборудование» Тольяттинского государственного университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основная научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в создании математической модели для анализа и синтеза электромагнитных элементов систем управления и разработке научно обоснованных технических решений, совокупность которых позволяет осуществить решение научной проблемы создания электромагнитных элементов автомобильных систем управления с требуемыми системными показателями.

Достоверность результатов проведенных теоретических исследований обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых методов и подходов, сравнением с теоретическими и экспериментальными данными, известными в литературе и полученными автором.

В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования, которые базируются на научных основах физики твердого тела, методов решения дифференциальных уравнений, теории электромагнитного поля, теории автоматического управления.

При проведении экспериментальных исследований применялись методики прямых и косвенных измерений методом тензометрии, погрешность полученных экспериментальных данных определялась методами теории вероятности и математической статистики. Теоретические исследования и обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием персонального компьютера.

Научные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в производство. Таким образом, представленная в диссертационной работе совокупность научных положений и технических решений, является решением научной проблемы создания высокоэффективных и надежных электромагнитных элементов систем управления, имеющим важное практическое значение.