Устройство автомобилей
Системы электрооборудования автомобилей
Как правило, на автомобилях применяется однопроводная схема электрооборудования с общим соединением на «массу» (кузов) автомобиля одного из проводов цепи питания. Обычно «массовый» участок электрической цепи подсоединяется к отрицательной клемме аккумуляторной батареи, при этом в качестве своеобразного провода используются металлические элементы кузова автомобиля, его двигателя и агрегатов.
По понятным причинам каждый потребитель электрической энергии, включаемый в схему электрооборудования автомобиля, должен каким-либо образом контактировать с «массой», т. е. с перечисленными выше металлическими элементами конструкции.
Плюсовая клемма аккумуляторной батареи соединяется с потребителями посредством специальных электрических проводов, защитных и коммутационных устройств, образуя положительный участок схемы.
Следует отметить, что некоторые потребители электроэнергии автомобиля используют двухпроводные схемы присоединения. К таким потребителям относятся, например, звуковые сигналы, стояночные фонари и некоторые другие.
Общая схема электрооборудования объединяет в единый комплекс источники и потребители электроэнергии, аппараты защиты и коммутации электрических цепей. Такая схема состоит из отдельных функциональных систем – источников электроснабжения, устройств зажигания, приборов внешнего освещения, сигнализации и т. д. При подключении потребителей в бортовую сеть автомобиля необходимо соблюдать некоторые правила:
- Кратковременно работающие мощные потребители (стартер, прикуриватель), а также приборы, работа которых необходима в нештатных и аварийных случаях (звуковой сигнал, аварийная сигнализация, подкапотная лампа, розетка переносной лампы и т. п.), подключаются к линии аккумулятор-генератор или аккумулятор-амперметр.
Эти участки электрической цепи отличаются применением электропроводки с большим сечением жил, а также постоянным подключением к источникам электроснабжения даже при выключенном положении замка зажигания.
Потребители, включаемые при включенном зажигании и при работающем двигателе, подсоединяются в цепь питания через выводы выключателя зажигания. К ним относятся стеклоочиститель, отопитель кабины, контрольно-измерительные приборы, указатели поворотов, фонарь заднего хода, головные фары и некоторые другие потребители.
Подключение к схеме электрооборудования через замок зажигания исключает работу этих потребителей в случае, если водитель выключил зажигание и покинул автомобиль, забыв отключить коммутирующие устройства, управляющие данными потребителями.
Что касается головных фар и фонаря заднего хода, то эти приборы по требованиям правил дорожного движения не должны работать во время стоянки автомобиля, поскольку свет фар или фонаря сигнализирует участникам дорожного движения о том, что автомобиль движется. Во время стоянки на автомобиле должны быть включены габаритные огни.
Впрочем, некоторые фирмы пренебрегают отдельными положениями этих требований (например, на некоторых автомобилях фары могут оставаться включенными даже при выключенном зажигании).
Все электрические цепи кроме цепей зажигания и пуска двигателя защищены от коротких замыканий и перегрузок. Защита от коротких замыканий в цепях зажигания и пуска двигателя не устанавливается, чтобы не снижать их надежность и уменьшить потери энергии.
Следует отметить, что современные электронные системы зажигания имеют защиту от перегрузок. Введение предохранителей в цепь заряда аккумуляторной батареи не является обязательным, но многие зарубежные фирмы их устанавливают.
Возможна защита одним предохранителем нескольких электрических цепей, однако такая групповая защита не допускается для взаимозаменяемых устройств и аварийных цепей.
Техническое обслуживание бортовой сети автомобиля
Нарушение электропроводки на автомобиле чревато серьезными последствиями, вплоть до возникновения пожара. Поэтому при эксплуатации автомобиля следует соблюдать ряд правил, в том числе и противопожарной безопасности.
Нельзя допускать попадания воды, смазочного материала, топлива или электролита на жгуты, соединители и отдельные провода.
Следует периодически очищать изоляцию от грязи, проверять проводку на наличие разрушения изоляции и изолировать поврежденные места либо заменять поврежденный провод.
Необходимо следить, чтобы провода не контактировали с нагреваемыми деталями двигателя, проверять затяжку винтовых соединений, предотвращать коррозию в штекерных и других соединениях.
Неоднократное разъединение штекерных соединений может привести к падению напряжения в них. Все соединения проводов должны быть заключены в защитные чехлы из резины или пластиковых материалов.
При отказе потребителя прежде всего следует убедиться, нет ли нарушения его питающей линии. Для этого следует измерить напряжение на потребителе вольтметром. Если напряжение в норме, причину отказа следует искать в самом потребителе, при отсутствии или недостаточной величине напряжения необходимо выявить место обрыва цепи или падения напряжения методом шунтирования. Для этого конец дополнительного провода соединяют с выводом потребителя, а второй конец последовательно подсоединяют к выводам разъемов питающей цепи, двигаясь по направлению к источнику тока.
Включение потребителя фиксирует нарушение контакта или целостности провода цепи, шунтируемой дополнительным проводом. Следует проверить также соединение потребителя с «массой». Место обрыва можно определить контрольной лампой, вольтметром или измерив сопротивление тестером.
Неполадки в электропроводке чаще всего имеют место из-за нарушения контакта в штекерных соединениях, поэтому рекомендуется периодически их проверять.
В местах крепления проводов скобами, у острых металлических кромок, в местах оголения наконечников и повреждения защитных чехлов возможны замыкания проводов на «массу». Место короткого замыкания можно определить, измерив сопротивление тестером.
Проверку реле или контакторов можно произвести, подсоединив контрольную лампу через их контакты и подведя напряжение к обмотке. Отключение лампы у реле с нормально замкнутыми контактами свидетельствует о его исправном состоянии. При испытании реле с нормально разомкнутыми контактами лампа должна загореться.
Подгорание контактов реле или контакторов можно устранить, зачистив их мелкой шлифовальной шкуркой и промыв бензином или спиртом.
При перегорании плавкого предохранителя или отключении биметаллического необходимо выявить и устранить причину, и только после этого восстанавливать цепь, заменив однократный предохранитель или включив многократный предохранитель.
Система «Стоп-старт»
В современных автомобилях иногда устанавливают систему «Стоп-старта», выполняющую функции автоматического управления остановом и пуском двигателя. Большинство фирм, производящих автомобили, в настоящее время работают над разработкой и усовершенствованием таких систем, поскольку они позволяют существенно повысить топливную экономичность автомобиля, особенно при движении в городских условиях.
Данная система начинает автоматически функционировать в том случае, если первоначальный пуск двигателя был осуществлен пусковой системой с электростартером и двигатель прогреты до температуры охлаждающей жидкости 65…100 ˚С.
Система «Стоп-старта» (рис. 1) выключает зажигание и отключает подачу топлива, останавливая двигатель, если автомобиль движется со скоростью менее 5 км/ч при нейтральном положении рычага переключения передач и выключенном сцеплении. Для продолжения движения водителю требуется нажать на педаль управления дроссельной заслонкой, при этом автоматически осуществляется пуск двигателя.
Стартер и цепь зажигания включаются системой «Стоп-старт», если двигатель остановлен, и с момента его остановки прошло не менее 0,6 сек, педаль сцепления выжата, а также при скорости автомобиля менее 10 км/ч.
Функционирование этой системы обеспечивается датчиками, управляющими работой двигателя: датчиком температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ), датчиком скорости движения автомобиля, датчиком положения дроссельной заслонки (ДПДЗ), а также специальными датчиками – положения педали сцепления и положения рычага переключения передач.
Основным недостатком работы системы «Стоп-старта» является увеличение числа включений стартера и повышенное потребление электроэнергии от аккумуляторной батареи.
По этой причине конструкторы и разраобтчики автомобильной теники разработали несколько разновидностей этой системы. Подробнее об этом здесь.
Бортовая сеть автомобиля
Развитие электроники и полупроводниковой техники в начале 21 века привело к тому, что ни один современный автомобиль не обходится теперь без обширной сети электропитания, называемой бортовой сетью автомобиля.
Бортовая сеть автомобиля является энергетической системой постоянного тока, и включает в себя как источники, так и потребители электрической энергии. В то время как тепловая энергия сжигаемого топлива напрямую пригодна лишь для обеспечения механического движения, электрическая энергия универсальна, и способна питать самые разные устройства, начиная от ламп в фарах, заканчивая системой искрового зажигания.
Итак, источников энергии в автомобиле всего два: аккумулятор (как правило свинцово-кислотный) и генератор, получающий механическое вращение непосредственно от двигателя внутреннего сгорания. И поскольку во время подзарядки аккумулятор является еще и потребителем, то главным источником энергии в современном автомобиле в конечном итоге является именно сжигаемое топливо.
Его энергия вращает двигатель, а он в свою очередь — ротор генератора, который производит электричество для бортовой сети, заряжая аккумулятор, а аккумулятор потом питает стартер и бортовую сеть автомобиля.
Если попробовать перечислить все потребители, питаемые от бортовой сети автомобиля, то вряд ли получится назвать все возможные, ведь подключить можно в принципе все что угодно.
Однако основные элементы почти везде одинаковы: аккумулятор, стартер, обмотка возбуждения генератора, система искрового зажигания, фары и габаритные огни, аварийная сигнализация, система вентиляции, подогрев стекол и сидений, акустическая система и все что имеет отношение к автозвуку, прикуриватель и все что от него может питаться, GPS-навигатор, видеорегистратор, зарядное устройство мобильного телефона, ноутбука и т. д. Отдельная система — бортовая электроника, отвечающая за пуск двигателя и прочее.
Конечно же бортовая сеть автомобиля включает в себя, кроме источников и потребителей, распределительные и защитные устройства, такие как колодки предохранителей, различные коммутаторы, кнопки, выключатели, переключатели, реле, силовые блоки и т. д.
Соединяется все это электропроводкой, которая выполняется из медных многожильных проводов различного сечения в особой бензомаслостойкой изоляции. Провода не разбросаны как попало по кузову, они собраны в аккуратные жгуты и проложены вдоль кузова, к которому прикреплены при помощи хомутов и клипс.
Жгуты проводов часто собираются при помощи ПВХ-изоленты, и прокладываются не голышом, а внутри литых пластиковых либо гофрированных трубок. Иногда можно встретить элементы проводки, заключенные в боуденовскую оболочку (словно провод проложен внутри плотной пружины с мелким шагом) или даже в металлическую трубу.
Провода бортовой сети автомобиля, в зависимости от их назначения, отличаются цветом изоляции, чтобы при монтаже и демонтаже ничего не перепутать: в зависимости от принадлежности к тому или иному блоку либо цепи системы, каждый провод имеет собственный цвет — маркировку.
В документации на конкретный автомобиль, производитель всегда приводит электромонтажную схему с цветовой маркировкой всех проводов, что особенно полезно и часто необходимо при проведении техобслуживания и во время поиска неисправности, при проведении диагностики и т.п.
Во всех современных автомобилях блоки, устройства и жгуты сопрягаются друг с другом посредством многоконтактных разъемов разнообразных типов, а также болтовыми соединениями и клеммами. Это, во-первых, упрощает монтаж и демонтаж во время ремонтных и профилактических (диагностических) работ, во-вторых, делает соединения разъемными и при этом долговечными, стойкими к износу при многократных соединениях-разъединениях.
Сегодня практически везде в автомобилях бортовая сеть имеет постоянное напряжение питания номиналом в 12 вольт. В прошлом веке еще можно было встретить автомобили с напряжением бортовой сети 6 вольт. Сегодня же лишь изредка такое встречается, и то лишь на мототехнике.
Все легковые автомобили современного производства используют напряжение 12 вольт. На тяжелых грузовых автомобилях применяется повышенное напряжение — 24 вольта. У тракторов стартер работает от 24 вольт, а остальная бортовая сеть — от 12 вольт.
Схема бортового оборудования автомобиля
Графическое изображение логических и функциональных взаимосвязей и соединений различных устройств автомобильного бортового оборудования выполняется в виде схем трех типов:
- структурные
- функциональные
- принципиальные электрические схемы
В настоящей главе все три типа схем рассматриваются на примерах бортового оборудования немецких автомобилей.
Структурные схемы
Структурная схема сложного технического устройства составляется как самая обобщенная графическая модель. Такую модель иногда называют канонической и изображают в виде блок-схемы, на которой указываются системообразующие (структурно-логические) взаимосвязи.
Структурная схема (каноническая модель) электронной системы автоматического управления двигателем (ЭСАУ-Д), в которой двигатель является объектом автоматического управления. Структурная схема «описывает» совокупность ЭСАУ-Д и двигателя как единую и достаточно сложную информационно-энергетическую систему по самым общим внешним признакам ее функционирования. Такими признаками являются: входные потоки (А), выходные потоки (Б), потоки случайных внешних воздействий (В) и потоки бесполезных (чаще всего вредных) отходов (Г). Можно показать, что все эти внешние потоки состоят из материи трех видов: энергии, различных веществ (материалов) и информации*.
Внешние материальные потоки как признаки функционирования технической системы проявляют себя по-разному. Например, техническое состояние двигателя может быть оценено по таким показателям бесполезных отходов, как акустические шумы (АШ) и химический состав выпускных отработавших газов (ВОГ). Это та информация, которая используется при проведении инструментальной технической диагностики ДВС. Механическая энергия газового потока выхлопных отработавших газов (ВОГ) используется на некоторых автомобилях для вращения турбины в подсистеме турбонаддува, а тепло ВОГ — для подогрева кузова. Таким образом, поток бесполезных отходов может стать частично полезным. Наличие веществ в бесполезных отходах очевидно — это все загрязнители, которые попадают в окружающую среду при работе ДВС.
• Опуская рассмотрение всех остальных внешних признаков функционирования технической системы, заметим, что каноническая модель, составленная как описание внешних материальных потоков, — это первый уровень моделирования сложной технической системы.
Второй уровень — это подробное описание всех периферийных материальных потоков и устройств системы. Покажем это на примере входных датчиков и потоков для ЭСАУ-Д. Входными материалами (веществами) для этой системы являются бензин (Б) из топливного бака (ББ), атмосферный воздух (В) в воздушном канале (АВ), охлаждающая жидкость (ОЖ) и моторное масло (ММ) в двигателе (ДВС). Энергетический поток ЭЭ поступает к электростартеру во время запуска ДВС от бортовой аккумуляторной батареи (АКБ). После запуска двигателя входным энергетическим потоком становится бензин, который выжигается в цилиндрах. Первичный (входной) информационный поток для ЭСАУ-Д — это сигналы от водительской педали газа (ПГ) и от колесных датчиков (КД) системы АБС, которая по отношению к двигателю выполняет функции электронной системы управления при неравномерном вращении ведущих колес во время страгивания автомобиля с места (функции системы ASR).
Описать компоненты можно и для случайных и для выходных потоков.
Третий уровень моделирования с помощью структурных блок-схем включает в себя конкретизацию компонентов внутри технической системы на уровне их главных исполнительных функций .
• Ценность канонической модели и построенных на ее основе структурных блок-схем состоит в том, что с их помощью можно легко и просто представить полный состав материальных потоков и технических устройств, которые принимают участие в работе данной сложной технической системы. При этом подробное схемотехническое решение системы не рассматривается.
Таким образом, канонические модели и структурные схемы являются инструментами системотехнического (структурно-логического), а не схемотехнического (предметного) моделирования.
Функциональные схемы
Функциональные схемы применяются на начальном этапе схемотехнических разработок для новой технической системы или при изучении уже разработанных и поступивших в эксплуатацию систем. Таким образом, функиональные схемы являются связующим звеном между более общим (структурные схемы) и конкретным частным (принципиальные схемы).
Функциональная схема отображает логическую взаимосвязь технических устройств внутри замкнутой системы с указанием ее рабочих входов и полезных выходов и составляется для каждой подсистемы бортового оборудования в отдельности. Полные функциональные схемы (сразу на все бортовое оборудование автомобиля) не составляются.
Функциональная схема может быть обобщенной, когда на одном чертеже изображаются устройства с различными принципами действия (механические, гидравлические, электрические, электронные и прочие). Такие схемы наиболее ярко отображают логику построения сложной системы в целом. В качестве примера можно рассмотреть обобщенную функциональную схему системы впрыска бензина «L-Jetronic».
Разобраться в устройстве и в принципе действия системы «L-Jetronic» по полной функциональной схеме достаточно просто.
В некоторых случаях составляют упрощенную функциональную схему. Это когда на чертеже изображаются взаимосвязи только одной физической (например, электрической или гидравлической) природы.
Для практического применения в условиях эксплуатации упрощенные функциональные схемы часто делают предметными, то есть вместо условных обозначений отдельных компонентов в виде «черных блоков» (квадраты, треугольники и т.п.) изображают их натуральный внешний вид. Такая функциональная схема для комплексной системы «Motronic МЗ/2». Главное преимущество предметной функциональной схемы — ее наглядность, благодаря чему значительно проще отыскать ту или иную деталь на автомобиле во время его ремонта. Но самой полной и наиболее полезной для поиска неисправностей является принципиальная электрическая схема.
Принципиальные электрические схемы
Классическая принципиальная электрическая схема — это развернутое и абсолютно подробное графическое изображение токопроводных соединений на уровне мельчайших неразборных деталей данного блока или устройства. Такими деталями долгоа время являлись резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые приборы, реле, коммутационные элеманты и соединительные провода между ними (печатные плеты).
С появлением микросхем неразборными деталями устройства стали целые электронные блоки с заданными функциональными свойствами, и теперь принципиальные схемы стали составляться на уровне микро-элактронных блоков. Внутреннее содержание отдельного неразборного блока, выполненного на микросхеме, никого не интерасует, так как такой блок не ремонтируется.
При еще более глубокой интеграции электрических схем на одном полупроводниковом монокристалле могут создаваться не только функциональные блоки электронных устройств, но и сами эти устройства в полностью зааершанном виде, например микропроцессоры. Такие устройстве не принципиальной схеме изображаются в виде «черных ящиков» с множеством пронумерованных выходов и входое.
Микропроцессоры оснащаются блоками электронной памяти, е также внутренней периферией, е которую входят входные преобрезователи аналоговых сигналов в цифровые коды, выходные усилители, внутренний интерфейс. Получается функционально завершенный электронный блок упревления (ЗБ?), который применительно к автомобилю часто называется контроллером или авторегулятором.
Принципиальная схеме цифрового контроллере, входящая в соствв микропроцессорной системы зажигания и составленная из неразборных стандартных блоков (микросхем). Эта схеме больше напоминает функциональную, так как на ней нет конкретных электрических соединений. Но это только не первый взгляд. Не самом деле соединения между микросхемами внутри контроллера тек же, как и семи микросхемы, — нерезборны и не схеме обозначены как интерфейсы.
В условиях автотранспортных предприятий (ДТП) или станций технического обслуживания (СТО) контроллеры, как и любые бортовые 3BY, не ремонтируются, тек как для обнаружения неисправных микросхем требуется специальное фирменное диагностическое оборудование и высококвалифицированный персонал.
Электрическая схема борт сети автомобиля
Принципиальная электрическая схеме всех токопроводных соединений не борту автомобиля называется схемой электрооборудования.
Электрооборудование современного легкового автомобиля — это сложный комплекс электрических машин и апперетое, электронных блоков упревления контрольно-измерительных и световых приборов, различных реле, исполнительных электромегнитов е автотронных системах, выключателей, предохранителай и соединительных проводов. Все это объединяется в общую электрическую однопроводную бортсеть с использованием металлических деталей двигателя и кузова в качестве второго (отрицательного) провода — «мессы». Проводная часть бортсети — это е основном жгуты электропрсводое, несущие и разводящие по потребителям положительный потенциал от системы электроснабжения. Все соединения подтоком более одного ампера (кроме стартерных цепей) защищены предохранителями. Провода
обеспечивают также информационную электросвязь между компонентами бортового оборудования. Часть таких проводов экранирована. От надежности электрооборудования и токопроводных соединений в значительной степени зависит эффективность эксплуатации автомобиля — расход топлива, загрязнение окружающей среды, комфортность и безопасность движения и т.д.
Номенклатура и число изделий электрооборудования на автомобилях, а также выполняемые ими функции постоянно расширяются. В настоящее время применяются новые, более сложные по конструкции и схемным решениям изделия и системы не безе электронной и микропроцессорной техники. Создаются автотронные системы управления. Электрооборудование соаременного евтомобиля включает в себя более двухсот изделий, свыше 1,5 тыс. контактов и около 1,5 км соединительных проводов. Его стоимость постоянно растет и в настоящее время состевляет 25…30% от стоимости автомобиля. Усложнение электрооборудования и широкое применение электроники имеют и отрицательную сторону. Значительно возросла сложность технического обслуживания и ремонта бортового оборудования, что привело к необходимости привлечения высококвалифицированного персонала не ДТП и СТО, е также к использованию специального дорогостоящего диагностического оборудования и фирменного ремонтного инструменте.
На современном автомобиле выделяют группы устройств, образующих самостоятельные системы с определенными функциями в общей схеме электрооборудования автомобиля. К ним относятся: системы электроснабжения, пуска, управления двигателем (впрыском топлива и зажиганием), автотронная система антиблокировки тормозов(ABS), системы контрольно-измерительных приборов, освещения, световой и звуковой сигнализации; подсистемы управления стеклоочистителем и стеклоомывателем, управления автоматической коробкой передач, блокировки дверей; радиооборудование и многое другое. Каждая группа устройств включает в свой состав коммутационную аппаратуру (реле, выключатели, переключатели), предохренители, провода, соединительные колодки и штекеры.
Наглядность, полнота и простота принципиальной схемы обуславливают ее применение в процессе диагностирования и ремонта электрооборудования автомобилей для обнаружения неисправностей как отдельных элементов, так и блоков в целом, а также для поиска повреждений в соединительных проводах и разъемах.
• Отдельно следует сказать о перспективе совершенствования электрооборудования в части электрической проводки на борту автомобиля. \же в ближайшие годы предполагается заменить дорогостоящие и сложные жгуты медных проводов на одну общую для всех электропотребителей токопроводную шину. По такой шине будет разводиться положительный потенциал от системы электроснабжения аналогично тому, как разводится отрицательный потенциал по «массе» автомобиля. При этом включение и выключение каждого потребителя будет осуществляться от соответствующей клавиши на водительском пульте управления, который подключается к общему для всех потребителей и разветвленному в нужных местах световолоконному кабелю. Возможен вариант управления, при котором сигнальным проводом будет сама токопроводная шина (с использованием высокочастотной селекции в потоке управляющих радиосигналов).
Подсистема электропроводки с общей токовой шиной и с единым интерфейсным каналом управления получила название «мультиплексная проводка». В мультиплексной проводке водительский пульт управления содержит источник безэнтропийной энергии (свет или радиочастоту) и шифратор сигналов управления, а каждый потребитель — избирательный дешифратор, выделяющий «свой» сигнал из общего потока. Подсистема мультиплексной проводки значительно надежнее, проще при поиске неисправностей, легко может быть оборудована электронными схемами самодиагностики, и главное, исключает использование дорогостоящей меди. Ясно, что принципиальная схема электрооборудования с мультиплексной проводкой также значительно упростится, так как в ней исчезнет электропроводная деталировка.
