Разработка системы автоматического контроля температуры тормозов автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Тормозная система автомобиля - одна из основных, обеспечивающих безопасность вождения. От ее состояния во многом зависит возможность предотвратить аварию в чрезвычайной ситуации, сохранив этим здоровье, а порой и жизни пассажиров.

Автопроизводители постоянно модернизируют тормозную систему для обеспечения большей безопасности. Однако контроль за фактическим состоянием тормозной системы остается практически без изменений. Он заключается в контроле уровня тормозной жидкости и степени износа тормозных колодок.

Какой еще параметр позволил бы существенно улучшить контроль текущего состояния тормозов? Это их температура. Температура тормозных колодок и дисков достигает 1000 С, и даже специальные спортивные колодки при перегреве могут «поплыть», при этом тормоза полностью пропадают. Перегрев тормозов приводит к снижению их эффективности, а в дальнейшем к деформации тормозного диска, разрушению тормозных колодок или поломке суппорта, что может привести к полному отказу тормозов и аварии.

Целью проекта стало создание специализированной системы контроля температуры тормозов автомобиля. В результате выполнения проекта разработаны схемы, проведено макетирование, изготовлены и отлажены опытные образцы 2 вариантов системы. Система не влияет на существующую конструкцию, не требует вмешательства в механическую и гидравлическую системы тормозов. Система проста в монтаже и обслуживании, работает в автоматическом режиме. Проведены успешные испытания на автомобилях и подготовлена заявка на патент. Изучен спрос на новую продукцию и получены первые заказы на ее изготовление. Применение системы улучшит потребительские свойства автомобиля, повысит его безопасность.

Данный проект выполнялся на базе МБОУДО «Центр развития творчества» объединения Клуб «Юный изобретатель» г. Сосновый Бор Ленинградской области. Клуб существует с 1993 года и за время его существования его членами, школьниками, получено более 40 патентов, различных наград за победы в международных и всероссийских конкурсах.

Основное направление работы клуба - поиск вопросов и проблем в реальной окружающей жизни, которые можно попытаться решить силами Клуба. Особый интерес к проектам, имеющим патентные перспективы и реальные шансы на практическую реализацию и внедрение. Над данным проектом автор работают второй год и уже получены практические результаты, подтверждающие возможность практического внедрения и патентования реализованной идеи.

1. Исследовательская часть

Анализ состояния вопроса.

В современном мире автотранспорт играет огромную роль в нашей жизнедеятельности. Личный автомобиль превратился в обычный атрибут жизни и ежедневного использования. Огромная индустрия автопроизводства с многомиллиардными доходами в настоящее время является одним из двигателей прогресса, внедрения новых технологических идей. В погоне за прибылью с учетом жесткой конкурентной борьбы за рынки сбыта автопроизводители пользуются различными приемами и стратегиями, не всегда учитывая интересы автовладельцев и общества в целом. Из последних громких скандалов - обман концерна Volkswagen [1], связанный с подделкой результатов тестирования автомобилей с дизельным двигателем по выбросам вредных веществ в атмосферу. Кроме того, в последние десятилетия изменился подход производителей к долговременной надежности своих автомобилей. Производители заинтересованы в том, чтобы потребитель как можно чаще менял автомобиль на новый, в том числе по причине его физического износа к 7-10 годам и экономической нецелесообразности ремонтов и обслуживания старого авто.

Как итог, ряд проблем, с которыми сталкиваются автовладельцы в процессе эксплуатации и обслуживания своих автомобилей, для автопроизводителей не являются значимыми. Несмотря на то, что решение этих проблем не представляется какой-то сверхзадачей и при современном развитии технологий, прежде всего электроники, вполне по силам как отдельным гаражным энтузиастам, так и коммерческим структурам (в виде стартапов).

В рамках данного проекта мы хотели внести свой посильный вклад в поиск и решение проблем, по каким-то причинам не интересным автопроизводителям, но снижающим потребительские свойства автомобилей, прежде всего их надежность и безопасность.

Цели и задачи проекта.

Цель проекта: Создание специализированной системы автоматического контроля температуры тормозов автомобиля, позволяющей улучшить его основные потребительские свойства, а именно, безопасность и надежность.

Задачи:

Ш исследовать и проанализировать вопросы практической эксплуатации тормозной системы автомобиля;

Ш разработать структурные и принципиальные схемы, конструкцию различных по сложности и функциям вариантов системы контроля температуры тормозов автомобиля;

Ш изготовить опытные образцы системы, провести их отладку и испытания;

Ш провести патентный поиск и подготовить заявку на патентование идеи.

Материально-техническая база проекта.

В процессе работы над проектом выбор конкретных вариантов технических и конструкционных решений производился исходя из материально-технических и финансовых возможностей клуба «Юный изобретатель», а именно:

- элементная база (микроконтроллеры, отладочные платы, датчики, монтажные и корпусные изделия) приобреталась в интернет-магазинах ebay.com и «Терраэлектроника» (https://www.terraelectronica.ru/);

- программное обеспечение в виде ПО разработчика, библиотек и прикладных программ использовалось из комплектов приобретенных отладочных средств и бесплатного ПО с сайтов разработчиков;

- необходимая справочная информация получена путем поиска на специализированных ресурсах интернета.

2. Проектная часть.

Табл. 1. План реализации проекта

Описание принципа действия и конструкций системы автоматического контроля температуры тормозов автомобиля.

Исходные данные и постановка задачи.

Тормозная система автомобиля - одна из основных, обеспечивающих безопасность вождения. От ее состояния во многом зависит возможность предотвратить аварию в чрезвычайной ситуации, сохранив этим здоровье, а порой и жизни пассажиров.

Качество торможения зависит от многих причин: конструкции тормозной системы, качества расходных материалов, своевременного и качественного обслуживания.

Основные неисправности тормозной системы: заклинивание тормозных поршней и колодок и направляющих, попадание воздуха в тормозную жидкость или ее закипание, неравномерный износ тормозных дисков и колодок.

Автопроизводители постоянно модернизируют тормозную систему для обеспечения большей безопасности. Появились системы ABS, ESC и т.д., управляющие усилием торможения в зависимости от дорожных условий. Однако контроль за фактическим состоянием тормозной системы остается практически без изменений. Он заключается в контроле уровня тормозной жидкости и степени износа тормозных колодок.

Какой еще параметр позволил бы существенно улучшить контроль текущего состояния тормозов? Это их температура. Об этом хорошо знают в автоспорте, где качество тормозов - одно из основных условий для победы. Температура тормозных колодок и дисков достигает 1000 С, и даже специальные спортивные колодки при перегреве могут «поплыть», при этом тормоза полностью пропадают. С учетом этого раллийные команды испытывают и настраиваю тормозные системы, с помощью различных способов измерения температуры. Самый простой способ измерения - применение специальных наклеиваемых на суппорт стикеров[2,3]. Их окраска изменяется в зависимости от нагрева, есть специальная шкала (рис. 1, рис.2). Стоимость комплекта таких стикеров достаточно высока 3-4 тысячи рублей. Другой способ измерения тормозов с помощью ИК-термометров, быстро и без контакта (рис.3). Основной недостаток существующих методов измерения - для их проведения необходимо остановиться. А это нарушает процесс тренировки и не применимо в ходе соревнований.

Рис. 1. Специальный стикер для измерения температуры тормозов

А что же с гражданскими автомобилями. Измерение температуры тормозов нигде не измеряется. Лишь в новейших автомобилях BMW расчетным путем вычисляется температура тормозов по специальному алгоритму в зависимости от условий и манеры езды. При этом, когда расчетная температура превышает установленный уровень, компьютер отключает антизаносные и антиблокировочные системы. Таким образом предотвращается возможность дальнейшего нагрева тормозов и их отказа.

Рис. 2. Набор стикеров фирмы AP racing для измерения температуры тормозов

Рис. 3. Бесконтактный лазерный измеритель температуры

Таким образом температура тормозов однозначно характеризует их состояние. Можно ли измерять температуру тормозов в процессе езды. Такая практика существует в авиации. Однако в автомобилестроении до практической реализации контроля температуры тормозных механизмов не дошло.

Да в гражданских автомобилях тормоза перегревают реже, но и это станет возможным после 2-3 резких оттормаживаний со скорости 120-160 км/час. Но в то же время с помощью измерения температуры тормозных механизмов всех колес можно контролировать их текущее состояние и вовремя провести ремонт или обслуживание. Например, относительный перегрев одного из тормозных механизмов говорит о закисших элементах системы именно на этом колесе. И наоборот, холодный тормоз говорит об износе дисков или колодок, наличии воздуха в магистрали.

С учетом изложенного, в рамках проекта была предпринята попытка создания системы термоконтроля тормозов. Основные условия: система не должна влиять на существующие конструктивные и схематические решения, недопустимо вмешательство в механическую и гидравлическую системы тормозов. Система должна быть простой в монтаже и обслуживании, работать в автоматическом режиме.

Система измерения температуры тормозов автомобиля.

На рис. 4 приведена структурна схема системы измерения температуры тормозов.

Система представляет собой цифровой термометр с термопарой в качестве датчика температуры (рис. 4). Термопара К-типа с диапазоном измерений до 100С закрепляется на элементе тормозной системы, в данном случае тормозной колодке. Сигнал с выхода термопары поступает на вход специализированного интегрального преобразователя фирмы Maxim MAX6675 [4].

Рис. 4. Структурная схема системы контроля температуры тормозов автомобиля

Отличительные особенности преобразователя: компенсация холодного спая, последовательный интерфейс SPI, 12-разрядное разрешение (0,25°C), обнаружение отсоединения термопары.

Цифровой 12-битный код температуры по шине SPI поступает на микроконтроллер фирмы TI типа MSP-430, далее преобразовывается в сигналы интерфейса управления жидкокристаллическим индикатором.

Питание всей схемы осуществляется с помощью преобразователя напряжения DC-DC/ На входе преобразователя напряжение 12-14,5В от сети автомобиля. На выходе - стабилизированное напряжение 5В. Ток потребления схемы - не более 2мА, поэтому можно для питания схемы использовать батарею или аккумулятор напряжением 3,6 В.

Предусмотрен не только визуальный контроль температуры тормозов, но и запись значений в память микроконтроллера (режим дата-логгера). Полученные таким образом данные затем сбрасываются с помощью отладчика на компьютер, где могут обрабатываться и анализироваться.

Конструкция системы.

С учетом необходимости невмешательства в существующую тормозную систему было принято решение установить датчик температуры - термопару в датчик износа колодок (рис. 5).

Рис. 5. Конструкция крепления датчика температуры на тормозную колодку

Этот датчик имеет пластиковый корпус с проводом, который заканчивается разъемом. Пластиковая часть датчика износа вставляется в специальный паз тормозной колодки и защелкивается с помощью упругой пластины. Был модернизирован датчик износа. В просверленное отверстие пластикового корпуса вставлен чувствительный элемент термопары. Кабель от термопары после установки датчика износа в колодку выведен в салон автомобиля и подключен к измерительному блоку. Такая операция проводится со всеми колодками. Измерительный блок закреплен на торпеде для возможности визуального контроля (рис.6).

Испытание системы.

После изготовления опытного экземпляра системы она была установлена на автомобиль и в течение 6 месяцев испытывалась. Система работала стабильно. В зависимости от режимов езды температура колодок составляла от 50 до 320 градусов Цельсия. Был выявлено отклонение до 50% температуры правого заднего тормоза относительно левого заднего.

При проверке на тормозном стенде в автосервисе эффективность заднего правого тормоза оказалась на 36% хуже, чем левого. После замены задних тормозных колодок проблема ушла.

Рис. 6. Конструкция крепления измерительного блока в салоне автомобиля

Выводы: испытания система подтвердили ее работоспособность и возможность анализа с ее помощью состояния тормозной системы. Однако для наиболее эффективного использования такой системы необходима разработка алгоритмов анализа показаний и формирования диагностических сообщений.

Система автоматического контроля и анализа температуры тормозов.

Для этого была разработана система контроля и анализа температуры тормозов, структурная схема которой представлена на рис.7.

Рис. 7. Структурная схема системы обработки и анализа температуры тормозов автомобиля

Сигналы от измерительных термопар поступают на преобразователи в цифровой код и далее через шину SPI на микроконтроллер. Одновременно микроконтроллер регистрирует данные с GPS-модуля (текущие координаты и скорость), датчика ускорения (акселерометр) и датчика тормоза автомобиля (включен-нет).

Полученные данные и результаты измерений, привязанные ко временной и пространственной шкале, с помощью GSM-модема передаются в облачное хранилище, где накапливаются и хранятся для дальнейшего анализа и обработки.

Текущий контроль может осуществляться визуально на индикаторе.

Напряжение на схему +5В поступает с DC-DC преобразователя.

Монтаж датчиков системы производится так же, как в системе термоконтроля с использованием датчиков износа колодок.

Система собрана, испытана на макете и установлена на автомобиль. Следующим этапом будет набор статистических данных для разработки алгоритмов обработки информации.

К системе проявила интерес команда авторалли. Принято решение изготовить опытные образцы системы для применения в автоспорте. Для этого необходимо разработать новый способ крепления датчика температуры, так как конструкция тормозных механизмов спортивных тормозов несколько другая.

3. Финансово-экономические расчеты

Рассчитаем себестоимость систем в части материалов, комплектующих и программного обеспечения.

Автомобили для испытаний - руководителя проекта, родителей авторов (бесплатно).

1. Система измерения температуры тормозов автомобиля.

Комплектующие:

Датчик температуры термопара, преобразователь сигнала термопары max6675 (комплект) - 4 шт. - 1415 руб.

DC-DC преобразователь - 107 руб.

Микроконтроллер, ЖКИ - 173 руб.

Корпус - 65 руб.

Монтажный провод - 78 руб.

Итого себестоимость системы на один автомобиль: 1829 руб.

Всего затраты на создание системы: 1829 руб.

2. Система автоматического контроля и анализа температуры тормозов автомобиля.

Комплектующие:

Датчик температуры термопара, преобразователь сигнала термопары max6675 (комплект) - 4 шт. - 1415 руб.

DC-DC преобразователь - 107 руб.

Микроконтроллер, GPS, GSM, акселерометр (комплект) - 4480 руб.

Корпус - 165 руб.

ЖКИ индикатор - 338 руб.

Монтажный провод - 85 руб.

Итого себестоимость системы на один автомобиль: 6590 руб.

Всего затраты на создание системы: 6590 руб.

Анализ расчетных данных:

Ш Система автоматического контроля и анализа температуры тормозов имеет небольшую стоимость с учетом решаемых задач, всего в 3 раза превышает стоимость комплекта одноразовых наклеек - индикаторов температуры тормозов. Система имеет ограниченное применение (спорт, тюнинг), поэтому рентабельность можно сделать выше за счет увеличения цены.

Ш Стоимость системы измерения температуры тормозов после ее доводки до серийного производства может составить 2,50 - 3 тысячи рублей. С учетом ее возможного вклада в обеспечение безопасности и уменьшение затрат на последующее обслуживание тормозной системы, а также стоимости сопоставимой с комплектом тормозных колодок, система может найти свой рынок.

В условиях промышленного производства стоимость систем дополнительно по предварительным расчетам, может быть снижена на 10-25%.

2. Результаты выполнения проекта.

· Поставленные в проекте цели и задачи успешно решены.

· Разработаны структурные схемы двух вариантов системы автоматического контроля температуры тормозов автомобиля

· Выбраны конкретные варианты узлов и комплектующих, разработаны принципиальные схемы и конструкции системы.

· Проведено макетирование, изготовлены и отлажены опытные образцы системы, отличающиеся функциональностью, ценой и ориентированных на разные группы потребителей.

· Предложенные варианты системы прошли полный цикл от конструкторской разработки до изготовления действующих экземпляров, выполненных на новейшей элементной базе.

· Проведены успешные испытания системы в реальных условиях эксплуатации на автомобиле.

· Подготовлены материалы для заявки в Роспатент на полезную модель. тормозной измерительный автомобильный

· Изучен спрос на новую продукцию и получены первые заказы на ее изготовление.

3. Дальнейшее развитие проекта.

· Получение патента на полезную модель.

· Продолжение работ по исследованию разработанной системы и ее модернизации.

· Изготовление установочной партии системы для передачи заказчикам.

Размещено на Allbest.ru