Система курсовой устойчивости автомобиля

1. Основная система курсовой устойчивости автомобиля при движении

Цель системы контроля устойчивости — обеспечить устойчивость и управляемость автомобиля путем предвидения и предотвращения критических ситуаций. Система курсовой устойчивости автомобиля является обязательной в США, Канаде и ЕС с 2011 года.

Она удерживает автомобиль на траектории, заданной водителем при движении в различных дорожных условиях (разгон, торможение, движение по прямой, повороты и свободное движение).

В зависимости от производителя системы курсовой устойчивости называются следующим образом:

• ESP (электронная система стабилизации) в большинстве автомобилей в Европе и Америке;
• ESC (электронный контроль устойчивости) в автомобилях Honda, Kia, Hyundai;
• DSC (динамический контроль устойчивости) в BMW, Jaguar, Rover;
• DTSC (Dynamic Stability Traction Control) в Volvo;
• VSA (Vehicle Stability Assist) на Honda, Acura;
• VSC (Vehicle Stability Control) в автомобилях Toyota;
• VDC (Vehicle Dynamic Control) в автомобилях Nissan, Infiniti, Subaru.

Конструкция и работа системы Vehicle Stability Control основана на примере самой распространенной системы ESP, выпускаемой с 1995 года.

ESP является системой активной безопасности высшего порядка и включает в себя антиблокировочную тормозную систему (ABS), систему распределения тормозных усилий (EBD) и антипробуксовочную систему (ASR).

Компоненты ESP (рис. 1) составляют основные компоненты АБС. Конструкция и эксплуатация ABS.

ESP принципиально отличается от ABS тем, что ESP постоянно отслеживает характер ускорения автомобиля, который выражается в желании водителя подруливать, в то время как ABS активируется только при торможении.

Рис. 1. Общая схема электронной системы стабилизации ESP (на примере Skoda Fabia): 1, 2, 12, 13 — датчики скорости вращения колес; 3 — датчик давления в тормозной системе; 4 — усилитель активной тормозной системы; 5 — ЭБУ двигателя; 6 — ЭБУ коробки передач (только на моделях с автоматической коробкой передач); 7 — гидравлический блок с блоком управления ABS EDL/TCS/ESP; 8 — контрольная лампа TCS/ESP; 9 — контрольная лампа ABS 10 — контрольная лампа двухконтурного тормоза и стояночного тормоза; 11 — диагностический разъем; 14 — система динамики автомобиля и поведения водителя; 15 — выключатель стоп-сигнала; 16 — датчик угла поворота рулевого колеса; 17 — кнопочный выключатель TCS/ESP; 18 — датчик рысканья; 19 — датчик бокового ускорения

Алгоритм работы системы зависит от режима эксплуатации автомобиля. Система курсовой устойчивости должна распознавать, когда автомобиль начинает буксовать, и предотвращать это. Он определяет нужное направление с помощью угла поворота руля, а датчики на всех колесах измеряют скорость вращения колес. На основе этих данных ЦУ рассчитывает фактическую траекторию, которая сравнивается с желаемым направлением более 25 раз в секунду. Блок управления ESP учитывает три степени свободы автомобиля на плоскости дороги (продольное направление, поперечное направление и управление относительно вертикальной оси автомобиля). Если блок управления ESP рассчитывает, что ускорение автомобиля достигло критических значений и имеются условия для потери устойчивости автомобиля (занос) и бокового скольжения передней и/или задней оси, система активирует тормоз пробуксовки колес.

Входные датчики регистрируют определенные параметры автомобиля и преобразуют их в электрические сигналы. Система динамического контроля устойчивости оценивает действия водителя и параметры движения автомобиля с помощью датчиков. Блок управления ESP получает сигналы от датчиков и формирует управляющие воздействия для исполнительных механизмов управляемых систем активной безопасности. При необходимости он использует информацию от блока управления двигателем и блока управления автоматической трансмиссией (ATC).

В то же время датчики угловой скорости измеряют перемещение автомобиля вокруг вертикальной оси и его боковое ускорение. Если эти значения отклоняются друг от друга, система реагирует немедленно, без вмешательства водителя, снижая мощность двигателя и восстанавливая устойчивость автомобиля. Если этого недостаточно, ESP дополнительно затормаживает каждое колесо. Возникающее вращение колес противодействует заносу, и автомобиль остается на безопасной траектории.

Оцениваются сигналы от датчика угла поворота рулевого колеса 16, датчика давления в тормозной системе 3 и ЭБУ 5 работы двигателя. Помимо скорости автомобиля, в расчет также включаются необходимые характеристики коэффициентов сцепления между шинами и дорожным покрытием. Эти параметры оцениваются на основе сигналов, полученных от датчиков скорости вращения колес 1, 2, 12, 13, датчика бокового ускорения 19, датчика рысканья 18 и датчика давления тормозов 3. Датчик бокового ускорения информирует ТС о боковом сносе автомобиля, а датчик рысканья сигнализирует о тенденции к скольжению. Затем вычисляется момент относительно вертикальной оси, который необходим для приближения фактических параметров состояния к требуемым параметрам состояния.

Стабилизация автомобиля системой ESP достигается за счет.

• торможением некоторых колес;
• путем изменения крутящего момента двигателя
• путем изменения угла поворота передних колес (в случае активного рулевого управления);
• Изменением демпфирования амортизаторов (в случае адаптивной подвески).

Информация от датчиков анализируется модулем управления для расчета направления движения и распознавания поведения автомобиля. ESP определяет, какое колесо должно ускоряться или замедляться и какой крутящий момент двигателя следует применить, а также активировать ли модуль управления трансмиссией (на моделях с автоматической коробкой передач).

В случае успеха цикл управления завершается, и система управления переключается на мониторинг поведения автомобиля. Если стабильность движения не восстанавливается, цикл управления повторяется. Активация цикла управления обозначается миганием контрольной лампы Vehicle Stability Control.

Система динамического контроля устойчивости использует гидравлический блок ABS.

Наступление аварийной ситуации определяется путем сравнения действий водителя с параметрами движения автомобиля. Если действия водителя (желаемые параметры движения) отличаются от фактических параметров движения автомобиля, активируется ESP.

Система задействует тормоза через блок управления ABS, который повышает давление в тормозной системе. Принцип работы алгоритма торможения такой же, как описано выше. В это же время (или раньше) ЭБУ двигателя получает команду уменьшить подачу топлива и, соответственно, крутящий момент на колеса.

ESP выбирает тормозные силы для каждого колеса отдельно, чтобы результирующие тормозные силы противодействовали крутящему моменту, который стремится повернуть автомобиль вокруг вертикальной оси, и удерживали автомобиль на оптимальной траектории. Если автомобиль плохо входит в поворот и скользит передними колесами наружу (недостаточная поворачиваемость) (рис. 2 a), ESP притормаживает внутреннее заднее колесо. Если автомобиль скользит назад и пытается повернуть круче, чем нужно (избыточная поворачиваемость) (рис. 2, b), ESP исправляет ошибку, применяя тормоза к внешнему переднему колесу. Для предотвращения заноса заднеприводного автомобиля ESP замедляет частоту вращения коленчатого вала двигателя. Это создает стабилизирующий момент силы, который заставляет автомобиль вернуться на безопасную траекторию.

В случае опасности опрокидывания автомобиль стабилизируется за счет снижения бокового ускорения, что достигается путем приложения достаточного тормозного усилия к передним колесам и одновременного снижения крутящего момента двигателя.

Рисунок 2: Траектория прохождения поворотов с ESP (сплошная линия) и без ESP (пунктирная линия): a — недостаточная поворачиваемость; b — избыточная поворачиваемость.

Изменение крутящего момента двигателя с помощью ESP может быть выполнено следующим образом.

• изменение положения дроссельной заслонки;
• без впрыска топлива;
• пропуская импульс зажигания;
• Изменение угла опережения зажигания;
• Отключение переключения передач в автоматической коробке передач;
• Перераспределение крутящего момента между осями (с полным приводом).

Блок управления ESP также взаимодействует с системами управления двигателем и автоматической коробкой передач (через соответствующие блоки CU). Помимо приема сигналов от этих систем, БУ также генерирует управляющие входы для систем управления двигателем и автоматической трансмиссией.

2. Дополнительные системы курсовой устойчивости автомобиля

В конструкции системы стабилизации автомобиля могут быть реализованы следующие вспомогательные функции (подсистемы): система стабилизации тормозов при поворотах, система распределения крутящего момента, система стабилизации прицепа, система предотвращения опрокидывания, система предотвращения столкновений, система помощи при нагреве тормозов, система дренажа тормозных дисков и другие. Наиболее важные и часто используемые системы обсуждаются в этом параграфе (другие — в 5.7).

Все перечисленные выше системы по сути автономны и являются программными расширениями системы ESP.

Контроль углового торможения (CBC). Опасные ситуации на поворотах, возникающие при торможении в повороте, могут вызвать избыточную или недостаточную поворачиваемость и привести к заносу автомобиля. Это связано с тем, что во время торможения на повороте угловая скорость автомобиля (скорость рысканья) может достичь такого уровня, что возникнут описанные выше явления. Чтобы исправить это, функция CBC управляет тормозным давлением для создания корректирующего «противодействующего момента». Таким образом, CBC улучшает курсовую устойчивость автомобиля при торможении на поворотах.

Во время экстренного прохождения поворотов способность передних колес поглощать боковые (управляющие) усилия сильно ограничена, если автомобиль не оборудован системой CBC. Автомобиль движется со скольжением передней оси к внешнему краю поворота. На автомобилях, оборудованных системой CBC, при возникновении недостаточной поворачиваемости система снижает тормозное давление на передние колеса. В результате колеса снова способны воспринимать управляющие усилия, и автомобиль сохраняет заданное направление движения.

CBC не требует никаких дополнительных компонентов, она использует существующие средства ABS, т.е. CBC — это просто обновление программного обеспечения системы ABS. Уникальность CBC заключается в том, что она способна определять опасные ситуации на поворотах без каких-либо датчиков рулевого управления или бокового ускорения, а только на основе угловой скорости вращения колес. При обнаружении пробуксовки колес, которая еще недостаточна для активации ABS, активируется CBC. Анализируя эти данные, контроллер ABS может распознать возникновение недостаточной или избыточной поворачиваемости и соответствующим образом отрегулировать давление в тормозной системе. Как и при обычной работе ABS, управление давлением происходит в три фазы: «удержание давления», «сброс давления» и «повышение давления». Это стабилизирует автомобиль и сохраняет его управляемость. Торможение колес контролируется блоком управления ABS, который повышает давление в тормозной системе (см. Рисунок 14).

Системы распределения крутящего момента. Системы делятся на электронную блокировку дифференциала EDS (Elektronische Differenzialsperre) и активную систему распределения крутящего момента ATTS (Active Torque Transfer System).

Когда автомобиль поворачивает, на его колеса действуют две основные силы — тяга, которая ускоряет автомобиль, и боковые силы, которые вызывают раскачивание автомобиля. Они возникают из-за сил трения, присутствующих в зоне контакта. Сила трения, в свою очередь, ограничена сцепными свойствами шины и дорожного покрытия.

Рассмотрим распределение сил на колесах при повороте автомобиля (Рисунок 3).

Рис. 3. Распределение сил на колесах автомобиля при повороте: a — обычный автомобиль; b — автомобиль с активной системой распределения крутящего момента

Поворот — это типичный автомобиль, из-за центробежной силы внутреннее колесо имеет меньшее сцепление с дорогой, чем другое колесо. Следовательно, общая суммарная тяговая и боковая сила, которую может воспринимать колесо, также уменьшится, и, таким образом, колесо будет обладать меньшей способностью ускорять и поворачивать транспортное средство. ATTS перераспределяет крутящий момент между ведущими колесами, снимая избыточное тяговое усилие с внутреннего колеса и передавая его на более нагруженное внешнее колесо. В результате недогруженная внутренняя шина, освобожденная от избыточного сцепления с дорогой, имеет больше возможностей для реализации боковой силы, столь необходимой в повороте.

Увеличение крутящего момента на внешнем колесе создает дополнительный крутящий момент, который стремится «втянуть» автомобиль в поворот.

Электронная блокировка дифференциала EDS предназначена для предотвращения прокручивания ведущих колес при старте с места, разгоне на скользкой поверхности, движении по прямой и прохождении поворотов путем торможения ведущих колес. Система получила свое название от соответствующей дифференциальной функции.

EDS активируется при пробуксовке одного из ведущих колес и притормаживает вращающееся колесо, что увеличивает крутящий момент на нем. Поскольку ведущие колеса соединены симметричным дифференциалом, крутящий момент увеличивается и на другом колесе (с лучшим сцеплением).

EDS основана на антиблокировочной тормозной системе. В отличие от ABS, EDS разработана таким образом, что система может генерировать собственное тормозное давление. Эта функция обеспечивается с помощью возвратного насоса и двух электромагнитных клапанов (на каждое ведущее колесо), встроенных в гидравлический блок ABS. Это переключающий клапан и клапан высокого давления.

Управление системой осуществляется с помощью соответствующего программного обеспечения в блоке управления ABS. Электронная блокировка дифференциала обычно является частью антипробуксовочной системы и работает в диапазоне от 0 до 80 км/ч.

Работа EDS носит циклический характер. Система работает в три фазы:

• повышение давления;
• удерживающее давление;
• сброс давления.

Проскальзывание ведущего колеса определяется путем сравнения сигналов от датчиков скорости вращения колес. Блок управления закрывает переключающий клапан и открывает клапан высокого давления. Возвратный насос включается для создания давления в контуре главного тормозного цилиндра колеса. Давление тормозной жидкости в контуре повышается, и ведущее колесо затормаживается.

Торможение колес осуществляется с помощью системы управления ABS, которая повышает давление в тормозной системе (см. Рисунок 14).

Как только достигается тормозное усилие, необходимое для предотвращения вращения, давление сохраняется. Это достигается путем отключения подкачивающего насоса.

Как только вращательное движение завершено, давление сбрасывается. Впускной и переключающий клапаны в контуре главного колесного тормозного цилиндра в этот момент открыты.

При необходимости цикл EDS повторяется. Электронная система тяги (ETS) в Mercedes работает по аналогичному принципу.

Активное распределение крутящего момента (ATTS) также используется для улучшения характеристик управляемости и применяется в полноприводных автомобилях. В качестве примера можно привести системы активного распределения крутящего момента Honda и Mitsubishi.

Электронная система управления (рис. 4) включает в себя датчики угла поворота руля, бокового и углового ускорения, скорости вращения колес, частоты вращения коленчатого вала двигателя и давления всасываемого воздуха, передаточного числа.

Рис. 4. Схема коробки передач полноприводного автомобиля Mitsubishi Lancer Evolution VIII: 1 — коробка передач; 2 — двигатель; 3 — муфта блокировки межосевого дифференциала; 4 — дифференциал ТС; 5 — датчик угла поворота руля; 6 — датчик положения дроссельной заслонки; 7 — колесные датчики ABS; 8 — датчики продольного ускорения; 9 — датчики поперечного ускорения; 10 — задний активный дифференциал; 11 — гидравлический насос с гидроаккумулятором; 12 — стоп-сигнал; 13 — датчик стояночного тормоза; 14 — индикатор переключения режимов: асфальт/гравий/снег; 15 — блок управления ABS; 16 — передний дифференциал; 17 — межосевой дифференциал (50:50)

Информация от всех датчиков передается в ЭБУ, который рассчитывает оптимальное распределение крутящего момента на колеса.

Затем ЭБУ передает информацию на блок дифференциала CU для распределения крутящего момента между осями и задними колесами в зависимости от условий движения. Он распределяет от 30% до 70% крутящего момента на нужную ось, и от 0% до 100% на одно из задних колес. В нормальных условиях до 70% крутящего момента передается на передние колеса. При резком ускорении до 70% крутящего момента передается на заднюю ось, улучшая динамику разгона и одновременно стабилизируя автомобиль. Во время ускорения в поворотах почти 100 процентов крутящего момента может передаваться на заднее внешнее колесо (рис. 5). При замедлении на повороте дороги происходит диаметрально противоположная ситуация — крутящий момент будет передаваться на внутреннее колесо.

Рисунок 5: Траектория движения автомобиля с электронным рулевым приводом: 1 — максимальный крутящий момент; 2 — траектория движения автомобиля с электронным рулевым приводом; 3 — траектория движения автомобиля без электронного рулевого привода

Существуют различия в приводе сцепления колес. Mitsubishi использует в своих конструкциях электрогидравлический привод, а Honda — электромагнитный.

В дифференциале автомобилей Honda используются электромагнитные многодисковые муфты 4 (Рисунок 6). Каждая муфта передает крутящий момент по отдельности на одно из задних колес, правое или левое. Встроенные электромагнитные соленоиды 3 изменяют положение магнитопровода относительно его корпуса. Контроллер дифференциала, в зависимости от условий движения, определяет, какой ток подавать на магнит, тем самым сжимая пакеты дисков и плавно изменяя распределение крутящего момента. Два сцепления могут работать независимо друг от друга.

Рисунок 6: Привод задних колес с электромагнитной муфтой: 1 — гипоидная ведущая шестерня; 2 — планетарная передача; 3 — соленоид; 4 — многодисковое сцепление.

Модули сцепления дополнены собственными планетарными редукторами 2.

Наряду с дифференциалом имеется модуль ускорения с гидравлическим приводом (не показан), который включает планетарную передачу и передает крутящий момент на ведущую шестерню 1 гипоидной передачи. Этот модуль обеспечивает более уверенное поведение на крутых поворотах. Он принудительно «раскручивает» задние колеса на поворотах. В повороте внешнее заднее колесо смещается наружу относительно передних колес. В обычной трансмиссии внешнее заднее колесо вращается медленнее, чем переднее, что препятствует полной передаче мощности и приводит к ухудшению управляемости и риску заноса. Эта проблема решается с помощью блока ускорителя.

Планетарные шестерни вращаются синхронно с приводным валом при прямолинейном движении — скорость вращения передних и задних колес одинакова. Когда автомобиль входит в поворот, гидравлический привод активирует планетарные шестерни ускорительного блока через другой блок сцепления, и заднее колесо с нужной стороны «раскручивается» до оптимальной скорости.

Блок управления способен определять стиль вождения на основе сигналов датчиков. Когда автомобиль движется прямо, сцепления разомкнуты, а планетарные шестерни в системе работают вхолостую, дифференциал равномерно распределяет крутящий момент двигателя на ведущие колеса.

Если водитель входит в поворот с ногой на акселераторе, реакция электронной системы управления будет отличаться от реакции автомобиля на холостом ходу или торможении. Одна из фрикционных муфт частично или полностью блокируется приводом, и крутящий момент на колесах изменяется, позволяя перераспределить до 80% от противоположного колеса.

В полноприводных автомобилях при резком ускорении возникает дефицит крутящего момента на задней оси и избыток крутящего момента на передней оси. Для предотвращения этого система оснащена датчиком ускорения, который определяет, когда необходимо передать энергию на заднюю ось. При спокойном движении больше крутящего момента передается на передние колеса, способствуя более стабильному поведению автомобиля.

Система стабилизации прицепа. Автомобиль с прицепом легче вывести в критические ситуации с точки зрения курсовой устойчивости. Даже опытному водителю не всегда легко восстановить контроль над автомобилем, который начал шататься.

Попутный ветер, сжатые пути, резкие движения руля при объезде препятствий или чрезмерная скорость могут вызвать боковое раскачивание прицепа, особенно при движении под уклон. Раскачивание прицепа также передается на буксирующий автомобиль (Рисунок 7).

Рисунок 7: Схема движения с прицепом: a — с раскачиванием; b — без раскачивания

В зависимости от интенсивности раскачивания и веса прицепа, буксирующее транспортное средство может проявлять рыскание и боковое ускорение, что повлияет на движение прицепа. Взаимное раскачивание прицепа и буксирующего автомобиля может стать настолько сильным, что вся комбинация транспортных средств полностью потеряет курсовую устойчивость.

Для стабилизации полуприцепа система ESP была дополнена программным усовершенствованием, которое снижает риск возникновения этой критической ситуации. Сначала система стабилизирует комбинацию транспортного средства, поочередно применяя тормоза к колесам транспортного средства. Если этого оказывается недостаточно, система задействует тормоза на всех колесах автомобиля и, через стояночный тормоз, на колесах прицепа, чтобы стабилизировать ситуацию.

Функция стабилизации прицепа не требует дополнительных датчиков и является программным расширением системы ESP. Для его работы используются только компоненты ESP.

Боковое ускорение и рысканье буксирующего транспортного средства определяется датчиками ESP и сообщается блоку управления ABS/ESP. Полученные входные значения (скорость вращения колеса, скорость рысканья, боковое ускорение, угол поворота руля, давление на педаль тормоза) сравниваются со стандартными характеристиками, хранящимися в БУ.

При превышении указанных предельных значений активируется функция стабилизации тракторного поезда. Передние колеса автомобиля тормозятся поочередно для лучшего гашения возникающих колебаний и компенсации рысканья. Таким образом, ESP предотвращает возникновение резонанса и больших амплитуд и блокировку оси автомобиля или прицепа. Если этого оказывается недостаточно, все четыре колеса затормаживаются, прикладывая давление к тормозным контурам до тех пор, пока раскачивание прицепа не будет устранено.

Во время корректировки тормозов загораются стоп-сигналы, чтобы предупредить последующих участников движения. В это время водителя предупреждает горящая контрольная лампа ESP.

Функция стабилизации автопоезда активируется при следующих условиях:

• ESP активирована и необходимое программное обеспечение ESP включено;
• поезд движется со скоростью, превышающей определенную минимальную скорость;
• на некоторых моделях автомобилей блок управления ABS/ESP определяет наличие буксируемого прицепа через подключенный разъем.

Информация о наличии прицепа поступает в ESP по шине данных CAN от блока управления распознавания прицепа. Если эти условия выполняются, в блоке управления ABS/ESP активируется соответствующая программа стабилизации прицепа.

3. Датчики системы курсовой устойчивости автомобиля

В дополнение к датчикам ABS, датчик угла поворота руля, датчик бокового ускорения и датчик рысканья используются в интегрированной системе управления динамикой автомобиля, которая объединяет системы стабилизации, рулевого управления и подвески автомобиля.

Датчик угла поворота рулевого колеса (Рисунок 8).

Рисунок 8: Датчик рулевого колеса: 1 — предохранительное кольцо с часовой пружиной для подушки безопасности.

Это один из датчиков положения, который широко используется в электронных системах автомобилей, например.

• система курсовой устойчивости;
• адаптивный круиз-контроль;
• Система помощи при движении по полосе;
• электрогидравлический усилитель руля (EHP);
• электромеханический усилитель руля (ESC);
• Активное переднее рулевое управление (AFS);
• Адаптивная система освещения;
• Активная подвеска.

В отличие от других датчиков, датчик угла поворота рулевого колеса обнаруживает угловые перемещения в широком диапазоне (более 720° в каждом направлении или четыре полных оборота рулевого колеса). Датчик устанавливается на рулевой колонке между переключателем и рулевым колесом, реже — на рулевом механизме. При включении зажигания датчик активируется при первом повороте рулевого колеса на 4,5°, что соответствует смещению на 1,5 см по окружности рулевого колеса.

Датчик угла поворота рулевого колеса используется для определения угла поворота (относительного угла), направления поворота (абсолютного угла) и скорости поворота рулевого колеса. Список функций зависит от потребностей конкретной системы автомобиля. Таким образом, датчик угла поворота руля определяет направление движения, заданное водителем.

Существует несколько типов датчиков, использующих различные физические принципы измерения: потенциометрические, оптические и магниторезистивные.

Потенциометрический датчик является контактным датчиком (Рисунок 9) и состоит из двух потенциометров, прикрепленных к рулевой колонке. Один потенциометр смещен относительно другого на 90°, что позволяет определять относительный и абсолютный углы поворота рулевого колеса (направление вращения). Изменение сопротивления потенциометра пропорционально углу поворота руля. Из-за ограниченной надежности, связанной со скользящими контактами, потенциометрические датчики в настоящее время очень редко используются в системах рулевого управления.

Рисунок 9: Потенциометрический датчик угла поворота руля: 1 — опорное напряжение; 2, 3 — напряжения на первом и втором скользящих контактах; 4 — «земля».

Оптический датчик — это более совершенный датчик. В нем объединены кодирующий диск 2 (рис. 10), источники света (светодиод 6 и оптическое волокно 1), светочувствительные элементы (линейная камера 5), блок определения полного поворота (плата с электронной схемой обработки 4).

Рисунок 10: Оптический датчик угла поворота руля: 1 — оптическое волокно; 2 — диск кодера; 3 — рулевая колонка; 4 — электронная печатная плата; 5 — линейная камера; 6 — светодиод.

Диск энкодера 2 жестко закреплен на рулевой колонке и имеет два сегментированных кольца — внутреннее и внешнее. Внутреннее кольцо имеет прямоугольные отверстия, равномерно расположенные по окружности, а внешнее кольцо имеет неравномерно расположенные отверстия. Внутреннее кольцо предназначено для измерения угла поворота руля. Внешнее кольцо используется для оценки направления вращения рулевого колеса в данный момент времени.

Светодиод 6 излучает свет на кодирующий диск 2 через оптическое волокно 1.

В зависимости от положения рулевого колеса через диск энкодера в струнную камеру попадает больше или меньше света.

Струнная камера 5 регистрирует этот оптический сигнал и преобразует его в электрический сигнал. На основе импульсов напряжения ЭБУ рассчитывает угол и направление движения рулевого колеса. Сигнальный тракт: светодиод — оптическое волокно — энкодер — струнная камера — аналоговый сигнал — ЭБУ.

Магниторезистивный датчик (рис. 11) более универсален, так как позволяет определять угловую скорость рулевого колеса в дополнение к относительному и абсолютному углу поворота. Конструктивно датчик содержит два магниторезистивных элемента 2, установленных в корпусе датчика. Магниторезисторы взаимодействуют с двумя подвижными магнитами 7.

Рис. 11. Магниторезистивный датчик угла поворота руля: 1 — рулевая колонка; 2 — магниторезистивные чувствительные элементы; 3 — измерительное колесо с m зубцами; 4 — электронная плата; 5 — измерительное колесо с m = 1 зубцами; 6 — ведущее колесо; 7 — постоянные магниты

Основным элементом датчика является гигантский магниторезистор (GMR) или анизотропный магниторезистор (AMR). Каждый магнит вращается с помощью шестерни. Ведущие шестерни имеют разное количество зубьев, отличающееся на единицу. Измерение заключается в том, что для каждого положения рулевого колеса существует свое положение магнита, которое регистрируется магниторезисторами. На основании этого ЭБУ определяет угол поворота руля, направление и скорость.

Датчик бокового ускорения. Это компонент на печатной плате встроенного датчика. Проще говоря, датчик можно представить как подвижную массу 4, подвешенную в центре с прикрепленной к ней упругой пластиной 5 (рис. 12).

Масса способна двигаться в одном направлении в обоих направлениях. Две другие пластины неподвижного конденсатора 3 и 7 окружают пластины, соединенные с движущейся массой. Таким образом, два конденсатора K1 и K2 соединены последовательно. Их емкости C1 и C2 могут быть измерены и сравнены на электродах.

Рисунок 12: Датчик бокового ускорения: а — отсутствие ускорения; б — наличие ускорения; 1 — электрод; 2 — направление движения автомобиля; 3, 7 — неподвижные пластины конденсатора; 4 — движущаяся масса; 5 — пружинная пластина; 6 — пластина конденсатора на движущейся массе; К1, К2 — конденсаторы; С1, С2 — емкости конденсаторов.

В отсутствие ускорения заряд конденсаторов одинаков. При возникновении поперечного ускорения масса, в силу инерции, будет двигаться относительно неподвижных пластин в направлении, противоположном ускорению. Изменение расстояния между пластинами конденсатора изменяет его емкость. В данном примере расстояние между пластинами конденсатора K1 больше, чем расстояние между пластинами конденсатора K2, поэтому емкость C1 меньше. Емкость C2 больше, потому что расстояние между пластинами конденсатора K2 меньше.

Датчик рысканья (угловой скорости). Расположен в дополнение к датчику бокового ускорения на печатной плате (Рисунок 13). Принцип работы датчика заключается в следующем. Колеблющаяся масса 6 подвешена в поле постоянного магнита между южным 2 и северным 4 полюсами. Печатные проводники 5 соединены с колеблющейся массой, которая фактически является датчиком. Если приложить переменное напряжение U, то движущаяся масса с напечатанными проводниками начнет колебаться в магнитном поле. При наличии углового ускорения происходит отклонение от прямолинейного колебательного движения, так как возникает ускорение под действием силы Кориолиса.

Рисунок 13: Датчик отклонения (угловая скорость): 1 — рукоятка; 2 — южный полюс; 3 — направление движения; 4 — северный полюс; 5 — печатные проводники; 6 — колеблющаяся масса; 7 — прямолинейное колебание под переменным напряжением; 8 — угловая скорость; 9 — ускорение за счет силы Кориолиса; a — прямолинейное движение; b — движение под угловым ускорением