OPTIMIZAREA SISTEMELOR DE SIGURANTA ALE AUTOVEHICULELOR

Obiectivul cursului este de a familiariza cursantii cu realizarile actuale si de perspectiva in conceperea sistemelor de siguranta ale autovehiculelor. Cursul este de actualitate datorita aparitiei conceptului X by wire ,adica extinderea servosistemelor electrice asupra unor sisteme ale automobilului ,care se foloseau de alte tipuri de energii pana in prezent respectiv hidraulica si pneumatica. Astfel au aparut servodirectiile electrice (steering by wire) si franele cu actionare electrica (brake by wire) , dar si perfectionarea caracteristicilor functionale ale altor sisteme componente ale automobilului ,care concura la siguranta activa si pasiva a automobilului. Structura continutului cursului este: Capitolul 1 Generalitati 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Conceptul Sisteme By Wire Circuite de reglare si comanda ; Sensori Microcontrollere Actuatori Control Area Network (CAN).

Capitolul 2 Sisteme de siguranta activa 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Sistemul de antiblocare pentru frane hidraulice ABS Sistemul de antiblocare pentru frane pneumatice Sistemul antipatinare ASR Servodirectia cu comanda electrica Programul electronic de stabilitate ESP Sistemul de lumini LITRONIC

2.7 2.8 2.9

Sistemul de reglare a luminilor Sistemul de suspensie adaptiva si activa Sistemul electronic de supraveghere a presiunii din pneuri

2.10 Sistemul de supraveghere a vitezei de circulatie 2.11 Sistemul de supraveghere a materialelor de uzura Capitolul 3 Sisteme de siguranta pasiva 3.1 3.2 3.3 Sistemul electronic de comanda a centurilor de siguranta Sistemul electronic de comanda a airbagului Memoratorul UDS

Capitolul 4 Diagnoza ON-BOARD Evolutia patrunderii electronicii si mecatronicii in constructia de automobile a fost posibila in urma dezvoltarii deosebite inregistrate in aceste domenii in ultimii ani atat ca structura cat si ca pret (fig.1).

Fig.1 Evolutia principalelor parametrii ai componentelor electronice Ponderea sistemelor electronice in valoarea unui autovehicul -------------------------------------------------------------------------1980 0.5 %

1990 2000 2010

7.0 % 17 24 % % (in unele lucrari aceasta pondere este estimata la 35 %).

Scurt istoric (exemple selective) Anul 1958 1962 1965 1967 1973 1978 1979 1982 1983 1986 Sistemul electronic in autovehicul Generatorul cc cu varioda Alternator cu varioda Sistem de aprindere cu tranzistori si contacte mecanice Injectia de benzina D-Jetronic Injectia de benzina L-jetronic Sistemul de antiblocare (ABS) MOTRONIC (Sistem de injectie-aprindere combinat) Reglarea antidetonanta Sistemul de aprindere electronic Sistemul de control electronic al motorului Diesel (EDC)

Managmentul de motor 1987 Sistemul de reglare al patinarii (ASR) 1989 Sistemul de schimbarea treptelor cutiei de viteze Triptonic Sistemul Mono-Jetronic Magistrala de date CAN (controller area network) Sistemul de navigatie Travel Pilot 1991 Sistemul de iluminare Litronic 1997 Programul electronic de stabilitate (ESP) ME-Motronic cu E-gas integrat Radiophone (AUTO-radio+telefonie mobila) 2000 MED-MOTRONIC (Injectia de benzina directa) Reglarea adaptiva a vitezei (ACC) Conditii impuse sistemelor electronice - Stabilitate termica in intervalul -40.....125 0C; - Compatibilitate electromagnetica (Insensibilitate fata de radiatii externe si lipsa unor

radiatii perturbatoare proprii; - Rezistenta la vibratii; - Etanseitate fata de umiditate; - Rezistenta in raport cu lichide si vapori agresivi (ex.ulei,benzina ,ceata de sare..); - Masa proprie redusa ; - Costuri reduse de productie ; - Siguranta in montaj. 818i84i 1.Prelucrarea informatiilor pe autovehicul Cerintele impuse multitudinii de subsisteme specifice de pe autovehicul referitor la functionare,siguranta ,compatibilitate cu mediul ambiant si confort pot fi indeplinite numai cu concepte dezvoltate de comanda si reglare..In fig.1 se prezinta schema bloc a unui sistem de conducere/comanda..Caracteristic pentru astfel de circuite este faptul ,ca ele au configuratia in bucla deschisa.In acest caz nu poate fi compensata influenta perturbatiilor Z1 si Z2 .Un circuit de comanda /conducere se realizeaza cu scopul de a influenta o marime problema pe baza unei marimi de intrare,care are ca urmare o marime de iesire care este totodata marime de intrare in segmentul(tronsonul) de conducere/comanda. Din componenta unui circuit de conducere/comanda fac parte: - Sensorii care transforma marimea fizica neelectrica intr-un semnal electric analogic de intrare Xi ; Marimile de conducere si reglare captate cu sensori sunt convertite de microcomputer in semnale necesare actionarii actuatorilor.Semnalele de intrare pot fi analoge (ex.variatia tensiunii la sensorul de presiune),digitale (ex.pozitia unui comutator) sau sub forma unor impulsuri ( adica continutul de informatii in timp,ex.sensorul de turatie) . Prelucrarea acestor semnale urmeaza o pregatire prealabila de : -filtrare; -amplificare; -formare de impulsuri;

-convertire A/D. - Modulul de esantionare care masoara valoarea analogica la intervale determinate T (tact); - Convertorul analog/digital care atribuie marimii esantionate o valoare digitala; - Microcomputerul (Microcontroller,Microprocesor) care realizeaza marimea de comanda pe baza unui program de calcul logic si/sau unui algoritm stabilit. - Convertorul digital/analog transforma marimea de iesire intr-un semnal de comanda analogic . - Actuatorul care intervine in fluxul energetic in vederea realizarii marimii problema in segmentul de conducere/comanda.In cazul unui aflux prea mare de marimii de comanda actuatorul poate fi precedat de o memorie tampon (buffer) si de un amplificator de semnal.. In figura 2 se prezinta schema bloc a unui circuit de reglare in bucla inchisa la care marimea de iesire este si marime de intrare in circuit (circuit cu reactie inversa).Deosebirea dintre cele doua tipuri de circuite consta in faptul ca circuitul de reglare poate sa compenseze efectul perturbatiilor Z1 si Z2, care actioneaza pe circuit si pe tronsonul de reglare.

Fig.2 Circuit de comanda /conducere si circuit de reglare

Cu posibilitatile tehnice moderne ale microelectronicii si mecatronicii se pot realiza calculatoare performante ,care cuprind memorii de programe si date, precum si circuite periferice pentru aplicatiile speciale in timp real ,cu un numar restrans de module. Dotarile autovehiculelor moderne cuprind mai multe microcomputere digitale pentru managementul motorului,actionarea automata a transmisiei,ABS/ASR,etc. Insusiri avantajoase si functii suplimentare se pot realiza prin aceea ca procesele controlate de diferitele circuite de comanda si reglare sunt sincronizate si parametrii or sunt in mod continuu urmarite si corelate in timp real.Un exemplu pehtru o astfel de functie este reglarea patinarii rotilor motoare la demaraj (ASR) unde se reduce momentul motorului in cazul patinarii unei roti motoare. Schimbul de informatii intre microcomputerele (in exemplul dat ABS/ASR si managementul motorului) se efectua pana in prezent prin linii individuale.Astfel de legaturi punct la punct se pot realiza avantajos numai pentru un numar limitat de semnale.Topologii de retea seriale (ex.CAN) intre microcomputere largesc posibilitatile de intercomunicare sensibil. 2.Microcomputerul

Microcomputerul (fig.3) se compune din urmatoarele module:

Fig.3 Modulele microcomputerului -Microprocesorul ca unitate centrala (CPU Central Processing Unit) este compus la randul sau din unitatea de calcul si unitatea de conducere/comanda prin care realizeaza operatii aritmetice si logice (unitatea de calcul) ,iar unitatea de conducere /comanda asigura efectuarea instructiunilor continute in memoria de programe. Capacitatea de calcul a CPU depinde in afara de arhitectura si latimea mesajului (4...32 biti)., de produsul dintre frecventa interna (tact,cadenta) si numarul de tacte per instructiune. Frecventa de lucru este de 1..40 MHz iar numarul de cadente pe instructiune de 1...32 tacte ,dependent de arhitectura CPU si instructiune (ex adunare 6 tacte ;inmultirea 32 tacte). -Memoria volatila RAM (Random Access Memory) stocheaza datele initiale si rezultatele intermediare de calcul. -Memoria nevolatila ROM,EPROM sau EEPROM( Electrical Erisable Programmable Read Only Memory) contine caracteristicile si programele specifice(programe de utilizator) ale sistemului.EEPROM poate fi sters pe cale electrica si reprogramat.EPROM poate fi sters cu raze ultraviolete si reprogramat.ROM nu poate fi reprogramat.

- Oscilatorul de frecventa care sincronizeaza functionarea sincrona a modulelor intr-o fereastra de timp. - Magistrala de date/adrese (Bus) realizeaza legatura dintre modulele microcomputerului. - Microcomputerul mai cuprinde module functionale(interfete intrare/iesire sau I/O) speciale pentru achizitia semnalelor externe si transmiterea semnalelor de comanda pentru actionarea elementelor de pozitionare respectiv a actuatorilor.Aceste module periferice preiau sarcini in timp real,in mod independent. - Modul de diagnoza pentru detectarea ,codificarea si memorarea sau afisare defectiunilor. Componentele principale ale microcomputerului sunt de regula module separate, unite pe o placheta de conductori (circuit imprimat).

Fig.4 Schema structurii microcontrollerului si a unitatii de calcul Microcontrollerul este amplasat pe un singur cip pe care sunt integrate : - Microprocesorul CPU ; -Memoria volatila RAM; -Componente periferice (oscilator,modul I/O,modul de intrerupere,interfata seriala); -Optional o memorie nevolatila ROM.

Echipat cu aceste module microcontrollerul poate functiona independent (microcomputer singele chip).Microcontrollerul se utilizeaza la sisteme autoreglabile.In prezent exista microcontrollere de 4,8,16 sau 32 biti.In functie de aplicatii se pot atasa extensii ex.memorii de date sau coduri de programe.Programul pe care il executa microcontrollerul este prestabilit si depus in memoria fixa.Nu poate fi preschimbat pentru alte aplicatii. SENSORI SI TRADUCTOARE Sensorii transpun o marime fizica sau chimica intr-o marime electrica. Traductoarele transpun o forma de energie intr-o alta forma. Pe autovehicul sensorii realizeaza interfata intre autovehiculul cu functiile sale complexe de tractiune,franare ,stabilitate,confort,etc cu instalatia de comanda,reglare sau de informare a conducatorului auto. SENSORI Caracteristicile sensorilor pot fi: -liniar continue;pentru probleme de reglare pe un domeniu larg. -neliniar continue;pentru probleme de reglare pe un domeniu mai restrans. -discontinue in doua trepte;pentru supravegherea unui prag ferm. -discontinue in trepte multiple;pentru supravegherea unei valori limita cu tolerante mai largi. -analog la perioada sau frecventa. Tipuri de sensori: -Sensori de pozitie sau unghiulare de tip potentiometru,tensometric sau inductiv pentru: * pozitia clapetei , pedalei de acceleratie si a pedalei de franare; * cursa si pozitia cremalierei pompei de injectie; * deformatia arcului suspensiei;pentru masurarea sarcini pe punte etc * deformatia unei membrane; pentru masurarea presiunilor hidraulice,pneumatice * devierea unui montaj arc-masa pentru masurarea acceleratiilor/deceleratiilor.

-Sensori inductivi sau pe baza efectului Hall pentru masurarea vitezei unghiulare. -Sensori piezoelectrici pentru masurarea presiunii de ardere detonanta. -Sensori termorezistivi pentru masurarea temperaturilor si debitelor de aer. -Sensori optoelectronici pentru sisteme de aprindere,gradul de murdarire a farurilor. -Sensori electrolitici pentru masurarea restului de oxigen in gazele arse. Dupa modul de realizare sensorii pot fi: -in tehnologie conventionala. -in tehnologie mecatronica [sensori inteligenti (smart sensors)] Procedee de realizare a sensorilor Sensorii se realizeaza in tehnologia peliculelor groase sau subtiri.Peliculele groase se realizeaza prin imprimare serigrafica pe substrat sau alte procedee inrudite ca scufundare,tamponare lacuire.Dupa uscare urmeaza arderea,proces in care componentii organici se pot evapora.Grosimile peliculelor groase uzuale sunt intre 1100 m.Peliculele subtiri se obtin prin difuzie termica ,implantare ionica,pulverizare catodica sau in plasma intr-o atmosfera de gaz inert la presiuni joase (1 la 100 Pa).Grosimile peliculelor sunt intre 10 nm si cativa microni. Domenii de utilizare ale peliculelor

Fig.5 Exemple de utilizare a tehnologiei peliculare Tehnologia peliculara poate fi utilizata pentru : *realizarea infrastructurii sensorului (vezi fig.5a) si *in scopuri de masurare (ex.fig.5b constructia unui sensor de temperatura si modul de calibrare). O prezentare de ansamblu a domeniului de utilizare a peliculelor rezulta din tabela 1. TABELA 1 Marimea de masuratSpatiu/unghi realizate din amestecuri de grafit pentru .Forte,presiuni prin tensionare Pelicule metalice din CrNi,CrSi,Ta (Factorul K=2),Poli-Ge,Poli-Si (Factorul K=3040)

Pelicula subtirefara solutie

Pelicula groasaCai rezistive de glisare carbon sau potentiometre. Tensoresistente din BiPb (Factor K=10..15)

Temperaturi

Straturi metalice din Ni,Pt,Au

Straturi metalice din Ni,Pt, Au.Rezistente PTC/NTC din Cermeti.

Pentru functii auxiliare: FunctiaIsolatii,pasivizare

Pelicula subtirePelicule din SiO,SiO ,Si N

Pelicula groasaSticla cristalina si amorfa,

Al Conductori de legatura,contacte

O

(Ceramica)

Ceramica,Acoperiri organice PdAg,PtAg,Ag.

Ni,Constantan,Au

Rezistente Rezistente de incalzire Elemente mecanice

Ta,Ti,Constantan,CrSi,CrNi. Pt,W,Mo. fara solutie

RuO Pt,W,Mo. Sticla,Ceramica

Domenii de masurare pe automobil Domeniile de utilizare a sensorilor pe aautomobil rezulta din tabela 2. Tabela 2 1.Temperaturi Punct de masurare Aer aspirat/supraalimentat Mediu exterior Habitaclu interior Iesire aer sistem de incalzire Domeniu C -40170 -40..60 -20..80 -20..60

Vaporizator(instalatia de climatizare) Lichidul de racire al motorului Uleiul motorului Bateria de acumulatori Combustibil Aerul din pneuri Gazele de esapare Etrier 2.Presiuni Presiunea de aspiratie/supraalimentare Presiunea in sisteme de franare pneumatice Presiunea in burduful suspensiei pneumatice Presiunea din pneuri Presiune din sisteme hidraulice (ABS,Servodirectie) Presiunea din amortizorul hidraulic Presiunea din instalatia de aer conditionat Presiunea de modulare din CV automate Suprapresiune vacum din rezervorul de combustibil Presiunea din camera de ardere Presiunea din elementii pompei de injectie Presiunea din common rail Diesel Presiunea din common rail benzina 3.Acceleratii

-10..50 -40.130 -40.170 -40..100 -40......120 -40..120 1001000 -402000 Domeniu bar (0.1 MPa) 15