Система телеметрии гоночного автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Система телеметрии гоночного автомобиля

Бикбулатов Рашид Илдарович - студент;

Федоров Сергей Владимирович - доцент, кафедра информационных систем и телекоммуникаций

Москва

Аннотация

В статье рассматривается вопрос измерения температуры тормозных дисков гоночного болида, участвующего в формуле SAE, при помощи термопар и спроектированной платы. Авторами дается обобщенная характеристика метода измерения температуры, его эффективность, а также недостатки.

Ключевые слова: BRT-5, термопара, ваналого-цифровой преобразователь, CAN, усилитель, SPI.

Введение

Формула SAE, более известная в Европе как Формула Студент - это студенческие инженерные соревнования, изначально организованные Сообществом Автомобильных Инженеров (Society of Automotive Engineers, SAE) и входящие в Серию Студенческих Инженерных соревнований (Collegiate Design Series) SAE. По замыслу соревнований команда студентов университета является инженерной компанией, которая должна разработать, построить, испытать прототип автомобиля формульного класса для рынка непрофессиональных гоночных автомобилей [1].

Команда из МГТУ им. Баумана участвует в формуле студент с 2012 года, на её счету имеется уже 5 болидов, последним из которых является BRT-5

Рис. 1. BRT-5

Характеристика гоночного болида BRT-5 приведены в таблице 1.

Таблица 1

Целью работы является разработать коммутируемое устройство для измерения температуры тормозных колодок

Объектом исследования является тормозной диск автомобиля класса «Формула студент» BRT-5. Предметом исследования является применение коммутируемого устройства в конструкции тормозного диска совместно с тормозными колодками и оценка его работоспособности. В рамках работы выполнено проектирование самой платы анализа влияния тепловой нагруженности тормозного диска из титанового сплава и экспериментальная проверка его работоспособности.

Самый распространенный на сегодняшний день в автомобилестроении тип тормозного механизма - дисковый тормозной механизм. Главным элементом такого механизма является тормозной диск. Торможение автомобиля осуществляется путём создания тормозного момента за счёт трения элементов тормозного механизма (тормозного диска и накладки тормозных колодок) [2].

Одной из причин отказа тормозной системы является перегрев тормозного механизма. Чем больше прижимное усилие тормозной колодки к диску, тем выше температура тормозного диска и колодок. Тепло от тормозных колодок передаётся суппорту, нагретые поршни которого могут довести тормозную жидкость до кипения, что приводит к «провалу» тормозной педали за счёт потери упругих свойств жидкости [3].

Перегрев тормозных дисков сводит к нулю эффективность торможения, так как тормозные колодки в этом случае идут по тормозному диску, как по маслу.

Для гоночного болида «Формула студент» применяется тормозная система состоящая из компонентов фирмы AP-Racing.

Результаты расчёта тормозного диска методом конечных-элементов зависимый от выбора коэффициента конвекции приведен в статье [2], также там приведены различные термограммы и тепловые нагружения диска (см. рисунок 2).

Рис. 2. Термограмма разогретого тормозного диска

В качестве инструмента оценки измерения температуры тормозного диска используется тепловизор «FLIR A615», который крепится к тормозной колодке болида, (см. рисунок 3) .

Тепловизор отличается высокой температурной чувствительностью, что позволяет получать точные изображения и сведения о малейших температурных изменениях [4].

Рис. 3. Термопара

В ходе исследования и испытаний на формуле студент, для гоночного болида приведенного в статья [2] было выявлено, в процессе работы тормозных механизмов наблюдалось возгорание титановой пыли. В результате проведенных тестов тормозные колодки стерлись полностью.

Поэтому для отслеживания температуры в процессе езды гоночного болида, потребовалось разработать коммутируемое устройства для снятия показаний температуры с тормозной системы для отслеживания и дальнейшего улучшения самой тормозной системы, ее охлаждения и методики расчета проектирования. Также коммутируемое устройство (расширитель) необходим для отслеживания температуры и уровня жидкостей в двигателе, а также любых других элементов, которые требуют сохранять температурный диапазон.

С термопар, которые подключены к деталям болида вырабатываются на выходе термоЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт, чтобы увеличить это напряжение и уменьшить ошибку дальнейшего преобразования необходимо стабильное усиление для последующей обработки, поэтому далее сигнал поступает на усилители, после чего во встроенный АЦП микроконтроллера. Датчики давления, также поступают во встроенный АЦП. Сигналы, полученные АЦП преобразуют напряжение в цифровой формат, после чего преобразованный сигнал передается по CAN шине к блоку управление МоТеС М400, откуда можно будет вывести данные на приборную панель болида, либо просматривать их с компьютера.

На рисунке 5 представлено предполагаемое место для размещения расширителя, т.е. около блока управления для удобства соединения и уменьшения длины проводов.

Рис. 4. Проводка двигателя BRT-5

Все датчики для различных измерений будут подключаться через разъем на плате Х4 (см. приложение), который в свою очередь соединен со встроенным ацп микроконтроллера STM32F303K8.

В ходе проектирования печатной платы были подобраны электронные компоненты для измерения температуры, также подобраны разъемы, на данной момент ведется разработка корпуса и внесение оптимизации кода программы.

На этапе проектирования печатной платы было решено использовать микропроцессор STM32F303K8 на базе ядра Cortex®-M4, который будет получать температуру от усилителей для термопары по встроенному в процессор SPI, а также преобразовывать полученные значения с датчиков давления 12 разрядным АЦП в необходимую единицу измерения и отправлять эти данные через CAN шину в блок управления.

Измерения температур тормозных колодок будет производиться через термопары, т.к. они выдерживают высокие температуры. Для термопар необходимо использовать специальные разъемы PCC-SMP-K, которые крепятся непосредственно к самой печатной плате.

Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2300 °С) в агрессивных средах. Они вырабатывают на выходе термо ЭДС в диапазоне от микровольт до милливольт и требуют стабильного усиления для последующей обработки. К тому же необходимо применять компенсацию напряжения на холодном спае. В качестве преобразователей выбран MAX31855KASA+. Данные выводятся в 14-битном, SPI -совместимом формате. Преобразователи Maxim Integrated MAX31855, допускают показания до 1800 °C и до -270 °C, а также имеют точность термопар ± 2 °C для температур от -200 °C до + 700 °C для термопар типа K.

Рис. 5. Принципиальная схема расширителя

Результат проектирования печатной платы

Рис. 6. Спроектированная печатная плата

На рисунке 6 под цифрой 1 показан переходник для подключения к разъему для термопар, под цифрой 2 показан разъем для подключения термопары к печатной плате

Был написан и протестирован код для измерения температуры тормозных колодок

Рис.7. Измерения температуры и тестирование CAN шины

Рис. 8. Измерения температуры и тестирование CAN шины

На рисунке 7 и 8 под цифрой 1 показан эксперимент измерения температуры, на 4 термопаре (переменная centУigrade4) подведено тепло, которое составляет 37 градусов по Цельсию, в массиве Date происходит передача по CAN шине, под индексом 6 и 7 записывается старшая и младшая часть значения температуры. тормозной болид температура

Также отладка измерения показаний велась с помощью программируемого логического CAN-контроллера CANNY 7 [4].

Рис. 9. Измерения температуры и тестирование CAN шины с помощью CANNY

Рис. 10. Окно работы приложения CannyLab

В результате проделанной работы была спроектирована, спаяна и отлажена печатная плата, а также измерены результаты температуры тормозных колодок гоночного болида, протестирована CAN шина, в ходе тестирования которой, она показывала измерения температуры подтверждающие измеренным, без каких-либо искажения, далее будет вестись работа по применению данной платы уже непосредственно к гоночному болиду, для тестирования и измерения температуры тормозных колодок, а также различных датчиков, которые будут подключаться к АЦП, например давления.

Список литературы

1. Википедия свободная энциклопедия, статья “Formula SAE” [https://ru.wikipedia. org/wiki/Formula_SAE].

2. Статья Расчетно-экспериментальная оценка работоспособности тормозного диска из титанового сплава В.П. Еремині, М.Г. Комароваї, к.т.н. Г.П. Еремин Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия.

3. FLIR® Systems, Inc, 2018. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.flir.ru/ (дата обращения: 10.06.18).

4. Описания устройства canny [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://canny.ru/c7/ (дата обращения: 30.11.2017).

5. Описания микронотроллера. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.st.com/en/microcontrollers/stm32f303k8.html/ (дата обращения: 30.12.2017).

6. Reference manual. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/programming_manual/6c/3 a/cb/e7/e4/ea/44/9b/DM00046982.pdf/files/DM00046982.pdf/jcr:content/translations/en. DM00046982.pdf/ (дата обращения: 30.11.2018).

Размещено на Allbest.ru