2.5. Электронные устройства контроля и диагностики, устанавливаемые на автомобиле

Даже в обычном, не оснащенном электроникой автомобиле, затраты труда на контрольно-диагностические работы составляют до 40% в общей трудоемкости работ по техническому обслуживанию автомобиля. До 50% от продолжительности диагностических работ занимает время на установку, подключение и снятие датчиков [19]. Очевидно, что с появлением электронных Устройств на автомобиле без принятия специальных мер трудоемкость контрольно-диагностических работ может еще увеличиться. Поэтому развитие электронных автомобильных систем сопровождалось созданием и постоянным совершенствованием контрольно-диагностических средств.

Качество диагностирования, в основном, обусловлено совершенством программ проверки, средств диагностики и уровнем контролепригодности конструкции автомобиля. С помощью электронных устройств, предназначенных для контроля и диагностики, все эти составляющие могут достичь высокой степени совершенства.

Контрольно-диагностические системы могут использоваться как информационная база для других электронных систем и узлов, например, навигационных (штурманских) средств, систем управления двигателем, трансмиссией и т. д., что позволит снизить общую стоимость автомобильных электронных устройств, установленных на автомобиле.

Бортовые электронные устройства выполняют контроль и диагностику состояния механических узлов и агрегатов автомобиля и электромеханических, электронных устройств и систем. Ведущими зарубежными концернами ("Дженерал моторе", "Форд", "Ниссан" и др.) ведутся работы над созданием электронных систем, прогнозирующих отказ в работе какого-либо элемента, узла, агрегата. Однако на этом пути имеются серьезные трудности, усугубляющиеся тем, что электронные системы в отличие от механических изменяют свои свойства не постепенно, а скачкообразно. Это обстоятельство крайне усложняет прогнозирование момента отказа в работе электроники.

Прогнозирование же работоспособности узлов, .агрегатов, работающих по принципам механики, представляется реальным. Так, по мнению специалистов фирмы "РКА" ("Radio Corporation of America") 90% отказов и автомобиле сопровождается явлениями, которые предшествуют неисправностям. Обнаружение этих явлений позволяет с высокой надежностью прогнозировать и сам отказ.

Другим препятствием на пути широкого внедрения контрольно-диагностических средств на автомобиле является особая жесткость требований по стоимости, надежности, компактности, затратам энергии и т. д. Повышенный уровень требований, предъявляемый автомобильными фирмами к устройствам контроля и диагностики, объясняется тем, что они практически не улучшают работу автомобиля, не повышают комфорта водителя и их появление может рассматриваться как расплата за недостаточную надежность техники.

Контрольно-диагностические средства, устанавливаемые на автомобиле, можно разделить на следующие классы [19]:

системы встроенных датчиков и контрольных точек;

бортовые контрольно-диагностические системы;

комбинированные системы.

Рассмотрим особенности и направления развития каждого из этих классов.

На автомобиле, оборудованном системой встроенных датчиков и контрольных точек, устанавливается разъем, к выводам которого подсоединяют датчики и провода, идущие от некоторых точек электрической сети. К данному разъему перед проведением работ по контролю и диагностике подсоединяют стационарный стенд или приборы.

Установка на борту автомобиля системы встроенных датчиков и контрольных точек,и использование разъемных соединений позволяют за короткий промежуток времени выполнять измерение ряда параметров. Особенно ускоряет процесс контроля и диагностики применение стендов, построенных на базе ЭВМ. Продолжительность диагностирования автомобилей, оборудованных системой встроенных датчиков и контрольных точек, составляет в среднем 5 мин, а при проведении регулировок 15 мин.

Применение систем встроенных датчиков и контрольных точек позволяет снизить трудоемкость диагностирования, увеличить пропускную способность постов диагностики, повысить точность постановки диагноза, увеличить надежность соединений за счет исключения операций по рассоединению проводов, установке и подключению соответствующих датчиков.

Приведем несколько примеров таких систем [19]. На автомобилях концерна "Фольксваген" количество штекеров в разъеме доходит до 28. Это дает возможность контролировать системы: электрообогрева заднего стекла, состояния указателей поворота, стоп-сигнала, подфарников, реле автоматической коробки передач, звукового сигнала и т. д.

На автомобилях концерна "Даймлер Бенц" ("Daimler Benz AG") к семиштырьковому разъему подсоединены (рис. 12) датчик 2 верхней мертвой точки ,(в. м. т.), триггерный датчик 7, установленный на высоковольтном проводе свечи первого цилиндра, выводы от коммутатора 4 транзисторной системы зажигания, катушка 3 зажигания.

Рис. 12. Электрическая схема системы встроенных датчиков автомобиля Мерседес Бенц 280 SE

На автомобилях концерна "БМВ" имеется возможность контроля не только параметров работы двигателя, но и технического состояния аккумуляторной батареи, стартера, генератора, тормозов.

При использовании системы фирмы "РКА" на военных автомобилях устанавливают около 50 датчиков, при помощи которых выполняется проверка 43 параметров. Анализируются напряжение аккумуляторной батареи, состояние воздушного, топливного и масляного фильтров, уровни масла и охлаждающей жидкости, давление в системе усилителя рулевого управления, степень засоренности фильтра, наличие воды в масле и топливе и т. д. Разъем установлен на передней панели. К разъему подсоединяют переносной прибор. Поворачивая ручку переключателя, водитель смотрит на панель сигнальных лампочек прибора. При возникновении неисправности загорается одна из ламп.

Определенными преимуществами перед системами встроенных датчиков и контрольных точек обладают бортовые контрольно-диагностические системы, устанавливаемые непосредственно на автомобиле. Эти преимущества связаны с тем, что введение бортовых средств контроля и диагностики означает организацию дополнительных информационных каналов. С их помощью водитель узнает о возникших неисправностях и отказах не по прибытии на станцию технического обслуживания (СТО), где установлен стационарный стенд, непосредственно при их возникновении. Данная информация позволяет оперативно реагировать на отклонения в работе узлов и агрегатов автомобиля и своевременно принимать соответствующие меры. Появляется возможность выявления и фиксации эпизодических отказов в работе, которые не всегда могут быть обнаружены в момент диагностирования и контроля в условиях СТО. Для анализа причин эпизодических отказов, в работе могут быть зафиксированы в памяти системы условия их возникновения. Бортовые системы легко модернизируются одновременно с улучшением электронных систем, для контроля и дцагностики которых они предназначены, в то время как изменение стационарных средств диагностики связано с значительными затратами.

Контрольно-диагностические системы могут работать в полуавтоматическом и автоматическом режимах, - Полуавтоматическому режиму, согласно предложенной? специалистами концерна "Порше" ("Porsche") терминологии, соответствует пассивная система контроля, а автоматическому - активная. В полуавтоматическом режиме для включения системы контроля водитель должен нажать определенную кнопку. Проверка обычно выполняется перед началом движения и несколько раз; в течение дня. При использовании активных систем контроль осуществляется автоматически и постоянно. Помимо информации о неисправности, некоторые системы позволяют измерить значения параметров.

В работе [19] сформулированы следующие требования, предъявляемые к бортовым контрольно-диагностическим системам:

возможность быстрого и удобного монтажа как в условиях заводов-изготовителей, так и при эксплуатации ранее выпущенных автомобилей;

гибкость конструкции, т. е. возможность установки после подстройки на нескольких моделях автомобилей;.

возможность диагностирования автомобиля при помощи стационарных средств, имеющих "собственные" датчики;

работоспособность во всех климатических зонах в течение всего срока эксплуатации автомобиля;

отсутствие влияния отказа системы на эксплуатационные показатели автомобиля.

Для контроля работоспособности автомобильных агрегатов и узлов необходимо измерить некоторые параметры и обработать полученные результаты. Общий список параметров, измеряемых в различных моделях автомобилей, составляет несколько десятков наименований.

В двигателе контролируют следующие параметры: уровень масла в картере, уровень охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя, уровень топлива в топливном баке; давление топлива; перепад давления на топливном, воздушном, масляном фильтрах; давление масла в главной масляной магистрали; температуру масла в картере, охлаждающей жидкости в системе охлаждения; выхлопных газов; разрежение во впускном трубопроводе; расход топлива на единицу пройденного пути; состав отработавших газов и т. д.

В трансмиссии контролируют: уровень жидкости в бачке главного цилиндра привода включения сцепления, температуру масла в картерах коробки передач, раздаточной коробки, главной передачи и, т. д.

В системе электрооборудования контролируют: уровень и плотность электролита в аккумуляторной батарее; напряжение аккумуляторной батареи и на лампах; ток, протекающий через лампы; световой поток ламп и т. д.

В тормозной системе контролируют: износ тормозных накладок; разрежение в вакуумном усилителе привода тормозов; уровень тормозной жидкости в бачке главного тормозного цилиндра; свободный ход педали тормоза; температуру тормозных накладок и т. д. Контролируют также уровень жидкости в бачке стеклоомывателя, давление в шинах и другие параметры.

Обработке значений контролируемых параметров должна предшествовать проверка работоспособности датчика. Эта проблема представляется весьма серьезной. Применительно к датчику скорости движения автомобиля она решается следующим образом. Значения ускорения автомобиля могут находиться только в некотором диапазоне. При поломках датчика, обрыве и замыкании в его цепи показания датчика за очень короткий промежуток времени изменяются на значительную величину, что невозможно в реальных условиях движения. Поэтому при поступлении от датчика на вход системы сигнала, свидетельствующего о значительном изменении скорости за короткий промежуток времени (датчик "опрашивается" в каждом цикле), сигнал рассматривается как ложный. Подобный подход, основанный на нормировании диапазона возможных значений входных переменных и их производных, позволяет, помимо выявления неисправностей во входных цепях, выявлять и отсеивать помехи.

Процедуру диагностики стремятся полностью автоматизировать. Подобный подход реализован в устройстве фирмы "Кабелверке Рейнсхаген" ("Kabelwerke Reinshagen GmbH"), предназначенном для контроля работоспособности световых приборов и датчиков. Целесообразность проверки приборов освещения вытекает из результатов обследования 3 млн. автомобилей в США. Оказалось, что у 20% автомобилей не исправлен по меньшей мере один осветительный прибор. Очень часто ремонт световых приборов не выполняется, так как владелец автомобиля просто не подозревает о дефекте и поэтому не исправляет его. При обнаружении неисправности цифровой код прибора высвечивается на двухразрядном светодиодном индикаторе. Если отказало несколько приборов, то показывается код более важного из них. При устранении дефекта на индикаторе высвечивается сообщение о следующей по важности неисправности.

Устройство выполняет контроль работоспособности включенных и выключенных осветительных приборов. Проверка заключается в контроле возможности включения ламп, когда они выключены, и выключения ламп, когда они включены. Поэтому включенную лампу устройство каждую секунду выключает на 0,0001 с, а выключенную лампу включает на 0,0001 с через каждые 40 с. Проверка начинается сразу же после включения зажигания автомобиля и продолжается еще 100 с после выключения двигателя (для обнаружения неисправности лампы в период охлаждения нити накаливания).

Устройство каждые 0,01 с проверяет наличие короткого замыкания в цепях ламп. При обнаружении короткого замыкания цепь в течение 0,01 с отключается.

Основой устройства (рис. 13) служит восьмиразрядный микропроцессор, управляемый выключателем 2. Ток на осветительные приборы подается через управляемые микропроцессором 1 транзисторы, работающие в режиме ключа.

Рис. 13. Схема устройства управления включением одной из ламп

Таким образом, устройство управления осветительными приборами и контрольно-диагностическая система объединены.

К достоинствам описываемого устройства следует отнести экономию места, в особенности за панелью приборов. Это достигается благодаря малым размерам микропроцессора и других электронных компонентов. Гораздо меньше обычного диаметр проводов, подходящих к кнопкам для включения осветительных приборов, поскольку через провода проходят малые токи управления. С появлением подобного устройства отпадает необходимость в применении плавких предохранителей. Устройство также контролирует правильность действий водителя: не допускается одновременное включение противотуманных фар и фар, работающих в режиме дальнего света.

Бортовые контрольно-диагностические системы информируют водителя о неисправностях и отказах в работе узлов и агрегатов, причем номенклатура дефектов в связи со сложностью конструкции автомобиля и электронных устройств может быть весьма обширна.

Выработка же решения о том, что следует делать в сложившейся ситуации, представляется целиком водителю. Однако современный водитель, как правило, не является специалистом в области конструкции автомобиля и автомобильной электроники. Ему требуется не информация о выявлении недопустимых значений тех или иных параметров, а рекомендации по дальнейшему поведению. Действительно, сведения о том, что напряжение питания упало до 10 В, мало о чем говорят обычному водителю.

Ему неясно, следует ли тут же остановить автомобиль или немедленно ехать на СТО или можно подождать текущего ремонта.

В какой-то степени ситуация, сложившаяся в автомобильных контрольно-диагностических системах, сходна с положением, имевшимся на первых этапах развития автоматизированных систем управления (АСУ). Человеку представлялось огромное количество информации, которую он был не в состоянии обработать. В настоящее время в теории АСУ принято лицу, принимающему решения, выдавать не все имеющиеся сведения, а уже переработанную информацию в виде наилучших вариантов (например, оптимальных по Парето).

Водителю зачастую сообщается непереработанная информация - сведения о значениях параметров. Конечно, представление подобной информации достаточно просто выполняется электронными устройствами. Но следует понять, что появление современной электронной техники (интегральных схем, микропроцессорных наборов, однокристальных микро-ЭВМ) с ее огромными возможностями позволяет не развивать наметившуюся при старой элементной базе тенденцию вывода на индикацию все большего количества данных, а идти принципиально новым путем. Водителю надо выдавать не всю циркулирующую в системе информацию, а лишь переработанную, как "это делается в современных АСУ. Таким образом, задача современных бортовых электронных контрольно-диагностических систем заключается, помимо измерения и анализа значений ряда Параметров, в установлении причины неисправности и выдаче водителю рекомендаций по его поведению.

В результате работы такой системы при понижении напряжения питания до 10 В водителю сообщается не значение напряжения, а причина выхода параметра за пределы допустимой зоны, например, "неисправен регулятор напряжения", "уровень электролита в аккумуляторной батарее ниже нормы", "ослаб ремень привода генератора". Помимо того, система должна также рекомендовать водителю дальнейшее поведение, например "целесообразно немедленно (в ближайшее время) ехать на СТО".

При подготовке таких рекомендаций, по-видимому, следует в основном исходить из принципов безопасности движения, сохранения работоспособности узлов и агрегатов автомобиля. Следует отличать ситуацию, при которой дальнейшее движение недопустимо без устранения неисправности (как при отказе тормозов) или разрешается самостоятельное движение транспортного средства. Результаты диагностики должны заноситься в память системы для того, чтобы при аварии можно было проверить своевременность ремонта.

Работы над созданием подобных систем ведутся концерном "Порше", ведущими американскими компаниями. Например, на дисплее одной из моделей автомобилей, выпускаемых концерном "Форд", кроме обычных параметров может появиться надпись, рекомендующая срочный ремонт двигателя.

Использование бортовых контрольно-диагностических систем не отменяет применения стационарных диагностических средств. Это объясняется ограниченными возможностями бортовых микро-ЭВМ по сравнению со стационарными мини-ЭВМ, нецелесообразностью установки всех необходимых для диагностирования датчиков на автомобиль, принципиальной невозможностью, а иногда и трудностью точного измерения некоторых величин в условиях движения и т. д. Поэтому бортовые контрольно-диагностические системы при современном уровне развития автомобильной электроники могут рассматриваться как ценное дополнение к стационарным системам.

При подобном подходе на автомобиле, помимо бортовой системы, устанавливают встроенные датчики и делают контрольные точки, подсоединенные к штекерам разъема. Бортовая контрольно-диагностическая система при этом может работать автономно и в совокупности с ЭВМ, имеющейся в стационарном стенде. Например, концерн "Дженерал моторс" сообщил о создании системы, которая в процессе движения информирует водителя о возникших неисправностях, а в условиях СТО стыкуется с диагностическим стендом. К части разъема системы в процессе изготовления автомобиля подсоединяется прибор, контролирующий работу отдельных узлов и агрегатов во время сборки автомобиля.

Все направления развития электронных устройств контроля и диагностики (системы встроенных датчиков и контрольных точек, бортовые и комбинированные контрольно-диагностические системы) не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Вместе с тем, как отмечено в [3], достаточную эффективность могут иметь лишь автоматизированные средства диагностического контроля с интегральной оценкой состояния автомобиля и выдачей рекомендаций водителю.

При эксплуатации автомобильные электронные системы требуют технического обслуживания, проверки работоспособности и эффективности, диагностики и ремонта. Основными сложностями в решении этой задачи являются подготовка кадров и оснащение СТО, ремонтных подразделений АТП специальным оборудованием.

Диагностический стенд концерна "Крайслер" для аналоговых систем регулировки угла опережения зажигания при обедненной топливной смеси предназначен для работы в полуавтоматическом режиме. Механик выполняет 12 инструкций и считывает результаты с трех светодиодных индикаторов. Два индикатора показывают значения параметров, а третий - кодовый номер неисправности.

Концерн "Форд" также разработал прибор для диагностики системы управления двигателем. Это устройство позволяет проверять правильность выполнения более 60 операций системы. Результаты контроля выдаются в двоичном коде на табло из 11 индикаторов. Прибор по размерам равен микрокалькулятору и подсоединяется к системе управления двигателем через трехштекерный разъем. Контроль исправности прибора осуществляется автоматически с выдачей итогов тестирования также на световую индикацию.

Важно, что специалисты концерна "Форд" предусмотрели и возможность диагностики системы управления двигателем при отсутствии данного прибора. В инструкции по обслуживанию и ремонту автомобиля подробно описана доступным для автомехаников и водителей языком процедура проверки с помощью так называемого тестера, измеряющего ток, напряжение и сопротивление.

Появление автомобильных электронных устройств и средств их диагностики сопровождается усиленным обучением специалистов, так как имеющийся на СТО и на АТП персонал не готов к обслуживанию современной электронной техники.

При подготовке кадров для СТО и АТП одним из основных вопросов является методика обучения. Существует мнение, что будущим специалистам по ремонту средств автомобильной электроники объяснять в тонкостях работу систем нецелесообразно. Они должны лишь знать функции, выполняемые отдельными блоками, из которых состоит электронное изделие, и уметь проверить правильность выполнения этих функций. Инструкции по контролю, составленные заводом-изготовителем, надо подготавливать так, чтобы для обнаружения неисправности достаточно было минимальных навыков в области электроники.

Вместе с тем, при обучении специалистов в области диагностики и ремонта электронных устройств следует уделять значительное внимание работе на электронных приборах и стендах, получению знаний в области электроники. Для проверки работоспособности электронных систем потребуется также понимание принципов работы и механических узлов, пневматических и гидравлических устройств, поскольку объект управления может представлять собой механическую, пневматическую или гидравлическую систему. Таким образом, специалист по ремонту средств автомобильной электроники должен обладать широким диапазоном знаний.