Контрольно-измерительные приборы автомобилей
Автомобильный транспорт, как впрочем, и любая другая техника, непрерывно совершенствуется с целью повышения комфортности, дорожной и экологической безопасности, экономичности и универсальности автомобильных перевозок. При этом конструкторы стараются минимизировать участие человека в выполнении отдельных операций по управлению автомобилем и транспортным процессом в целом, доверяя различные контрольно-управленческие функции многочисленным автоматическим системам, устройствам и механизмам и упростить контроль над работой отдельных систем и элементов конструкции автомобиля.
Это особенно актуально для легковых автомобилей общего пользования, поскольку водители таких транспортных средств, чаще всего, не имеют достаточной квалификации по устройству, работе и способам технического обслуживания собственного автомобиля.
Этот процесс сопровождается существенным усложнением конструкции автомобилей и прицепных автотранспортных средств, широким внедрением средств компьютерного, электронного и электрического управления отдельными узлами, механизмами и устройствами. При этом безусловным является требование поддержания на должном уровне связи между человеком (водителем) и автотранспортным средством с целью информирования о текущем состоянии наиболее важных систем и устройств автомобиля, особенно, влияющих на надежность работы элементов конструкции и безопасность его движения.
Система информации и диагностировании на автомобиле предназначается для контроля режима движения и технического состояния автомобиля. С этой целью на автомобиле устанавливают контрольно-измерительные приборы, бортовую систему контроля и диагностическую систему встроенных датчиков.
Учитывая условия эксплуатации автомобилей, к системе информации и диагностирования предъявляются высокие требования: приборы и датчики, входящие в систему, должны выдерживать вибрации и тряски, оставаться работоспособными при значительных перепадах температуры, выдерживать воздействия агрессивной окружающей среды, обладать малой чувствительностью к пульсациям и изменения напряжения в бортовой сети автомобиля. При этом приборы и датчики должны системы информации и диагностирования должны выполнять свои функции с необходимой степенью точности и минимальной погрешностью.
Назначение контрольно-измерительных приборов– контроль за работой смазоч- ной системы, системы охлаждения двигателя, за уровнем топлива в баке и зарядом аккуму- ляторной батареи, частотой вращения коленчатого вала и скоростью движения автомобиля.
К контрольно-измерительным приборам относятся: спидометр, тахометр, указатель давления масла (манометр); указатель температуры охлаждающей жидкости (термометр); указатель уровня топлива в баке; амперметр; аварийные сигнализаторы пониженного давле- ния масла и перегрева двигателя и т.п.
Любой контрольно-измерительный прибор состоит из датчика, соединительных про- водов и указателя. Все указатели смонтированы на щитке приборов, а датчики расположены в зоне измеряемых показателей.
Устройство и принцип действия стрелочных указателей у большинства контрольно- измерительных приборов схожи. Указатель состоит из корпуса с экраном (предотвраща- ющим влияние посторонних магнитных полей), трех катушек, подвижного постоянного маг- нита со стрелкой, укрепленной на подвижной оси, и неподвижного постоянного магнита (для установки стрелки на нулевое деление шкалы). При протекании тока по катушкам создается результирующее магнитное поле. Стрелка с подвижным магнитом, взаимодействуя с этим магнитным полем, устанавливается в определенное положение, соответствующее положе- нию подвижного контакта реостата или сопротивления терморезистора, т.е. определенному значению измеряемого параметра. При изменении этого значения ток в цепи датчик – ука- затель и положение стрелки указателя на шкале изменяются. Устройство и принцип дей- ствия датчиков различны.
Датчик давления масласостоит из корпуса, диафрагмы, ползункового реостата, по- движный контакт которого соединен с диафрагмой. При изменении давления в системе диа- фрагма выгибается и перемещает подвижный контакт реостата, изменяя сопротивление в це- пи.
Датчик температуры охлаждающей жидкостипредставляет собой терморезистор (полупроводниковая шайба в металлическом корпусе). Изменение температуры охлаждаю- щей жидкости вызывает значительное изменение сопротивления терморезистора, из-за чего происходит изменение тока в катушках указателя.
Амперметрпредназначен для контроля заряда АКБ. Амперметр устанавливается на щитке приборов и последовательно включается в цепь аккумуляторной батареи.
Аварийные сигнализаторыпредупреждают водителя о недопустимом повышении температуры охлаждающей жидкости, падении давления масла в смазочной системе или уровня топлива в баке. Устройство и принцип действия аварийных сигнализаторов схожи с устройством и принципом действия указателей. Отличие состоит в следующем: 1) в датчике вместо реостата или полупроводниковой шайбы устанавливается контактный механизм, кон- такты которого замыкаются при определенном значении измеряемого параметра; 2) указате- лем является не электромагнитный прибор, а лампа, установленная на щитке приборов.
Указатели уровня топливапредназначены для информирования водителя об уровне топлива в баке автомобиля. Датчик располагается в баке, а указатель – на приборной панели. Информация от датчика к указателю передается по проводам (рис. 57).
На большинстве современных автомобилей используют поплавковые датчики уровня топлива. Основные детали датчика: корпус; поплавок; ползунковый реостат, подвижный контакт которого соединен с поплавком, а неподвижный – с корпусом. При изменении уров- ня топлива изменяется и положение поплавка, который перемещает подвижный контакт рео- стата, сопротивление в цепи также изменяется (рис. 57а). В датчике уровня топлива с демп- фером поплавок ходит вверх-вниз в колодце-контейнере, сообщающемся с основным объе- мом бака через маленькие отверстия вверху (вентиляция) и внизу (дренаж) (рис. 57б). Ско-
рость перемещения поплавка уже не меняется при колебании топлива в баке – она ограниче- на скоростью перетекания топлива и воздуха через отверстия.
Рис. 57. Схемы указателей уровня топлива: а – с обычным датчиком; б – с демпферным датчиком
Указатели уровня топлива могут быть стрелочными или электронными. Основные де- тали стрелочного указателя: корпус с экраном, предотвращающим влияние посторонних магнитных полей; три катушки; подвижный постоянный магнит со стрелкой, укрепленной на подвижной оси; неподвижный постоянный магнит (для установки стрелки на нулевое деле- ние шкалы). При протекании тока по катушкам создается результирующее магнитное поле. Стрелка с подвижным магнитом, взаимодействующая с этим магнитным полем, устанавли- вается в определенное положение, соответствующее положению подвижного контакта рео- стата, т.е. определенному значению измеряемого параметра. При изменении этого значения изменяется ток в цепи датчик – указатель, а следовательно, и положение стрелки указателя на его шкале. Электронный указатель обрабатывает сигнал от датчика и выводит данные об остатке топлива на экран бортового компьютера. Кроме стрелочного или электронного ука- зателя, на приборной панели устанавливается сигнальная лампа (контрольная лампа резерва), которая загорается, когда топлива в баке остается на 30…50 км пробега и необходимо произ- вести заправку топливом.
Спидометруказывает скорость движения и одновременно отсчитывает пройденный путь. По принципу действия спидометры разделяют на магнитоиндукционые и электриче- ские; по способу приведения в действие – на спидометры с приводом «гибким валом» и спи- дометры с электрическим приводом.
Спидометр состоит из датчика, передаточного устройства и двух механизмов, объ- единенных общим кожухом и основанием, указателя скорости и счетчика пути.
Скорость, которую показывает спидометр, – «мгновенная». Это она важна при экс- тренном торможении или энергичном маневре. Спидометр включает и одометр с точностью измерения до километра, иногда – до 100 м.
Наиболее просты механические спидометры. Приводятся от трансмиссии «гибким ва- лом» – особым тросиком, хорошо передающим вращение. Некоторые спидометры могут устанавливаться на разные автомобили, поэтому в приводе таких спидометров применяют простейший редуктор, передаточное число которого подобрано к автомобилю. На заднепри- водном автомобиле спидометр обычно контролирует вращение вторичного вала коробки пе- редач. Точность показаний таких спидометров зависит от размера шин, передаточного числа редуктора заднего моста и собственной погрешности прибора.
Привод механического спидометра осуществляется от ведомого вала коробки пере- дач. Указатель скорости со счетчиком пути устанавливается на щитке приборов и представ-
ляет собой магнитоиндукционный прибор, отклонение стрелки которого пропорционально частоте вращения ведомого вала коробки передач. Если расстояние от датчика на коробке передач до указателя на щитке приборов менее 3,5 м, то передаточным устройством является гибкий вал, если более 3,5 м или у автомобиля откидывается кабина, то привод электриче- ский: на коробке передач устанавливается генератор с приводом от вторичного вала. Генера- тор вырабатывает ток, который поступает к указателю. Значение тока и величина отклонения стрелки указателя зависят от частоты вращения ведомого вала коробки передач.
Рис. 58. Механический спидометр: а – устройство; б – механический одометр; 1 – магнит- ный диск; 2 – алюминиевый колпак (картушка) со стрелкой; 3 – возвратная пружина; 4 – шкала спи- дометра; 5 – одометр
Устройство механического спидометра: поверх магнитного диска 1, приводимого тросом, расположен вращающийся на оси алюминиевый колпак (картушка) 2. Катушка с не- большим зазором соединена со стрелкой и возвратной пружиной 3 (рис. 58). Когда диск вращается, его магнитные силовые линии возбуждают в картушке токи, создающие свое магнитное поле. При взаимодействии двух полей картушка увлекается за диском, но пружи- на ограничивает ее поворот углом, зависящим от скорости вращения диска. Циферблат гра- дуирован в соответствии с тарировкой прибора, зависящей от жесткости возвратной пружи- ны. Любое изменение ее жесткости недопустимо – показания спидометра окажутся искаже- ны.
Одометр – набор барабанчиков с цифрами (еще их называют «декадами») (рис. 58б). Каждый барабанчик связан с соседним зубчатой передачей (отношение 1:10). С началом движения крайний барабанчик – километровый – отсчитывает единицы километров. Когда он сделает один оборот, то соседний 10-километровый покажет в своем окошке единицу. Че- рез 100 км первый оборот завершит 10-километровый барабанчик. И так далее. Отечествен- ные одометры ведут счет до 99 999 км, затем обнуляются. Многие одометры современных автомобилей – шестизначные. Отдельные модели включают в себя удобную опцию – счет- чик короткого (обычно не больше 1000 км) пробега с точностью до сотни метров. Водитель может его обнулить нажатием кнопки.
Спидометры переднеприводных автомобилей с поперечным расположением двигате- ля обычно имеют привод от левого колеса после главной пары. Значит, к погрешности спи- дометра и влиянию размера шины прибавляется эффект от закругления дороги: на поворотах влево «приборная скорость» чуть меньше, чем посередине машины, а вправо – чуть больше.
К сожалению, работоспособность механического спидометра во многом зависит от износа его собственных деталей, а также от износа привода. Важно проложить гибкий вал без резких перегибов (иначе трос изнашивается, стрелка колеблется, механизм шумит). Тро- совый привод затрудняет сборку и разборку приборного щитка. Постепенно от троса отказа- лись – спидометр стал электронным, он работает по сигналу датчика скорости. Этот датчик совмещен с редуктором, который, кстати, можно установить и на старую машину с тросовым приводом.
По внешнему виду первые электронные спидометры трудно отличить от механиче- ских. Стрелка на обычном месте, барабанчики с цифрами тоже, однако стрелка – деталь электронного измерителя числа импульсов от датчика скорости. Угол ее поворота пропорци- онален числу импульсов в единицу времени. Одометр похож на механический, но «декады» подчиняются управляемому электроникой микроэлектродвигателю. Эти приборы точнее ме- ханических, но все же имеется погрешность 5…7 %. Ведь в них ликвидированы лишь самые слабые места механики (люфты, капризы троса, катушки, возвратной пружинки т.п.).
Полностью электронные приборы совершенней. Но и здесь привычные стрелки на своих местах: большинство людей понимают их «язык» лучше, чем любые цифры на дис- плее. С внутренней стороны это сложный электронный блок. Всеми стрелками командует электроника через исполнительные электродвигатели. Дисплеи (одометра или маршрутного компьютера) жидкокристаллические.
Тахометрпредназначен для контроля частоты вращения коленчатого вала двигателя.
На автомобилях применяются тахометры с электрическим приводом и электронные.
Устройство и принцип действия тахометров с электроприводом аналогичны устрой- ству и принципу действия спидометров с электроприводом. Тахометры этого типа состоят из датчика, который приводится во вращение от распредвала или вала ТНВД, электрических проводов, соединяющих датчик с указателем, и указателя, расположенного на щитке прибо- ров.
На карбюраторных двигателях наиболее распространены тахометры, принцип дей- ствия которых основан на подсчете импульсов, возникающих в первичной цепи системы за- жигания при размыкании контактов прерывателя. На четырехцилиндровых четырехтактных моторах каждому обороту коленчатого вала соответствуют две вспышки в цилиндрах, т.е. два импульса в системе зажигания. Тахометр, соединенный с катушкой и распределителем зажигания, преобразует частоту импульсов в пропорциональное ей напряжение, которое отклоняет стрелку на соответствующий угол. На рисунках представлены схемы подключе- ния тахометров при использовании контактной и контактно-транзисторной систем зажига- ния (рис. 59, 60).
| Рис. 59. Схема подключения тахометра на автомобилях с контактной системой за- жигания: 1 – тахометр; 2 – катушка зажи- гания; 3 – распределитель зажигания | Рис. 60. Схема подключения тахометра на ав- томобилях с транзисторной системой зажига- ния: 1 – тахометр; 2 – катушка зажигания; 3 – коммутатор; 4 – распределитель зажигания |
На автомобилях с впрысковыми двигателями тахометр подключают не к зажиганию, а к контроллеру электронной системы управления двигателем (ЭСУД) (рис. 61). В этом слу- чае тахометр считывает число импульсов оборотов непосредственно с контроллера, который получает сигнал от датчика положения коленчатого вала. Существуют также тахометры, пригодные для использования как на карбюраторных, так и на впрысковых автомобилях. Однако форма импульсов контроллера отличается от формы импульсов катушки зажигания, и преобразуются эти импульсы в тахометре по-разному. Поэтому такой прибор имеет два входа: от контроллера и от катушки зажигания (рис. 61, вход 1 и вход 2 соответственно).
 | Рис. 61. Схема подключения та- хометра на впрысковых автомоби- лях: 1 – тахометр; 2 – маршрутный компьютер; 3 – контроллер ЭСУД; 4 – датчик положения коленчатого вала; 5 – модуль зажигания |
На дизельных автомобилях частоту вращения коленчатого вала оценивают по частоте синусоидального сигнала с одной из фаз генератора (рис. 62). При этом на точность измере- ния влияет привод генератора (скорость вращения ротора зависит от соотношение диаметров приводных шкивов).
Рис. 62. «Генераторный» тахометр: а – выпрямительный мост генератора с выходом (1) на тахометр (2); б – схема подключения тахометра: 1 – тахометр; 2 – контрольная лампа генератора; 3 – генератор; Ф – фазовый вывод (на тахометр)
В тахометрах для настройки точности показаний применяют подстроечный потен- циометр. Он позволяет регулировать величину напряжения, в которое преобразуется частота сигнала. Это дает возможность тщательно корректировать показания тахометра для различ- ных двигателей. Существенное преимущество «генераторных» тахометров – универсаль- ность. Такой прибор можно использовать и на бензиновых, и на дизельных двигателях, с любым числом цилиндров или вообще без них (например, газотурбинный или роторно- поршневой двигатель), лишь бы на этом автомобиле был установлен трехфазный генератор переменного тока.
Тахографы.С 24 апреля 1995 года все автотранспортные средства государств- участников ЕСТР, допускаемые к международным пассажирским (автобусы с числом мест более 9, включая водителя) и грузовым (автомобили полной массой свыше 3,5 т) перевозкам (за исключением перевозок аварийных, спасательных, коммунальных, медицинских и других подобных служб), обязательно оборудуются автомобильными ЕС-тахографами.
ЕС-тахограф автомобильный – бортовое электронное контрольно-измерительное устройство, устанавливаемое взамен спидометра или совместно с ним, предназначенное для непрерывной индикации и регистрации скорости движения, пробега, периодов труда и отды- ха водителей (рис. 63а). Принцип работы тахографа основан на обработке электрических сигналов, поступающих с импульсного датчика пути/скорости, устанавливаемого на коробке передач. Переключение режимов работы тахографа осуществляют водители. На переключа- теле режимов работы использованы следующие обозначения. В положении переключателя 
тахограф автоматически фиксирует два режима работы водителя: при движении – режим вождения, при остановке автомобиля – режим пассивной работы (в том числе простои на светофорах, в пробках, в очередях и т.п.). В положении переключателя 
записывается лю- бая трудовая деятельность водителя, кроме вождения (оформление документов, ремонт ав- томобиля и т.п.). Переключатель устанавливают в положение 
при перерывах в работе и отдыхе водителя.
Если необходимо контролировать обороты двигателя, расход топлива, режимы работы специального оборудования (подъемника, бетономешалки, холодильной установки и т.п), то на тахограф устанавливают дополнительные самописцы и соответствующие датчики. Отли- чить ЕС-тахографы можно по маркировке 
– знаку официального утверждения типа тахо- графа, нанесенному на заводскую табличку (шильдик).
Рис. 63. Автомобильный ЕС-тахограф: а – внешний вид; б – диаграммный диск; 1 – указа- тель скорости; 2 – указатель времени; 3 – счетчик пройденного пути; 4 – переключатель режимов работы первого водителя; 5 – переключатель режимов работы второго водителя; 6 – обозначения ре- жимов работы; 7 – индикатор установки диаграммного диска; 8 – индикатор превышения скорости
Параметры, фиксируемые тахографом, автоматически регистрируются на персональ- ном диаграммном диске для каждого водителя. Диаграммный диск изготовлен из специаль- ной бумаги, на которую последовательно нанесены: слой черной краски, слой прозрачного пластика и белый слой оксида цинка (рис. 63б). Поверх этих слоев типографским способом нанесены шкалы и знаки. Когда игла самописца тахографа начинает записывать, удаляется слой оксида цинка и проступает черный цвет подложки. Одновременно игла оставляет ха-рактерный след на слое пластика, который используют при идентификации диаграммного диска и тахографа. Диск имеет отверстие грушевидной формы, позволяющее установить его только в одном, строго определенном положении. Записанная на диске информация при необходимости может быть расшифрована с точностью по времени до 5 мин и по расстоя- нию до 1 км.
На обороте диска нанесены графы, необходимые для записей от руки, а также знаки официального утверждения, в прямоугольниках которых проставлена буква , за которой следует отличительный номер страны (например: 1 – Германия, 2 – Франция, 22 – Россий- ская Федерация), перечень номеров официального утверждения тахографов и значение пре- дельно допустимого скоростного режима.
Обязательному оснащению тахографами в РФ подлежат изготовленные после 1 января 1998 года автобусы с числом мест более 20 и грузовые автомобили полной массой свыше 15 т, осуществляющие междугородные перевозки по территории России. Установку и обслужи- вание тахографов выполняют только уполномоченные производителем этих приборов сер- висные мастерские, каждая из которых имеет идентификационное клеймо.
Опыт государств, где применение тахографов является обязательным, убедительно доказывает, что его наличие на автомобиле способствует развитию у водителей навыков без- опасного и экономичного управления. Аварийность снижается в среднем на 25…30 %. Ис- ключаются конфликты между водителями и инспекторами. При расследовании причин ава- рий можно с секундной точностью восстановить ход событий и избежать ошибочных обви- нений. Обработка записей на диаграммных дисках позволяет автоматизировать учет работы водителей и автомобиля, а также оптимизировать их работу и снизить эксплуатационные расходы.
Для контроля дополнительных параметров используют разные датчики, например: для жидкостей – датчики уровня; для тормозных колодок – датчики износа; для выявления отказов ламп – реле диагностики. Вся информация сводится в блок индикации на панели приборов.
Датчики уровня.Уровень охлаждающей жидкости в расширительном бачке, жидко- сти в бачках омывателей стекол, тормозной жидкости контролируют с помощью поплавко- вых датчиков.
 |  |
| Рис. 64. Принципиальная схема датчи- ка уровня охлаждающей жидкости: 1 – гер- кон; 2 – магнитный поплавок; 3 – корпус | Рис. 65. Схема датчика уровня тормозной жидкости: 1 – поплавок; 2 – контакты |
На рис. 64 показан датчик уровня жидкости в расширительном бачке. По нижней
«направляющей» корпуса скользит вверх-вниз кольцеобразный поплавок, в котором разме- щен магнит. Внутри корпуса упрятан геркон (герметичный контакт), управляемый этим магнитом. Понизился уровень – контакты включились, цепь замкнулась – на панели прибо- ров загорелся соответствующий сигнализатор.
Датчик уровня тормозной жидкости представляет собой поплавок с плавающим
«пятачком» и два контакта, которые замыкаются в случае снижения уровня жидкости ниже критического (рис. 65).
Датчик износа.Износ тормозных колодок контролируют с помощью специального датчика. Датчик – пластиковая вставка во фрикционной накладке, внутри нее – сердечник из мягкого металла (он не должен царапать тормозной диск), к сердечнику от блока индикации идет провод, на него подается ток (рис. 66).
Рис. 66. Схема датчика износа тормозной колодки: 1 – датчик; 2 – колодка; 3 – тормозной
Когда износ накладки достигнет предельно допустимого, тормозной диск войдет в контакт с датчиком износа, при замыкании электрической цепи на блоке индикации вспых- нет стилизованное изображение колодок. Значит, пора их внимательно осмотреть и при необходимости заменить.
Исправность ламп «габаритов» и стоп-сигнала контролирует реле диагностики(или реле «опроса»). Оно срабатывает в зависимости от величины тока, потребляемого лампами. Если хотя бы одна погасла (нет контакта или перегорела нить), уменьшается ток в обмотке реле, оно срабатывает – включает изображение перечеркнутой лампочки.
Датчики контроля закрытия дверейна разных моделях автомобилей могут иметь отличия, напрямую связанные с устройством электрооборудования. При самом простом ва- рианте концевые выключатели всех дверей подключены параллельно, контрольная лампочка встроена в щиток приборов. Если хотя бы один «концевик» замкнут (дверь не закрыта), вспыхивает контрольная лампа на щитке, а одновременно с нею – плафон в салоне, если вы- ключатель находится в соответствующем положении (рис. 67).
Рис. 67. Простейшая схема контроля закрытых дверей: 1 – концевые выключатели; 2 – контрольная лампа; 3 – лампа освещения салона
Заполните пустые строки
1. К контрольно-измерительным относятся следующие приборы:
2. Любой контрольно-измерительный прибор состоит из
3. Электромагнитный указатель контрольно-измерительного прибора состоит из сле- дующих элементов:
4. Датчик указателя давления масла состоит из
5. Датчик указателя температуры охлаждающей жидкости представляет собой
6. Датчик указателя уровня топлива состоит из
7. Спидометры предназначены для
8. Одометры предназначены для
9. Механический спидометр состоит из следующих основных элементов:
10. Тахометры предназначены для
11. «Генераторные» тахометры применяются надвигателях.
12. ЕС-тахограф автомобильный – это
13. Основные элементы датчика уровня охлаждающей жидкости:
14. Основные элементы датчика уровня тормозной жидкости:
15. Датчик износа тормозных колодок представляет собой
1. Для чего служат контрольно-измерительные приборы?
2. Какие контрольно-измерительные приборы используются на автомобилях?
3. Из каких элементов состоит стрелочный электромагнитный указатель?
4. Опишите устройство и принцип действия спидометров.
5. Каково назначение и общее устройство тахометров?
6. Опишите схему подключения и принцип действия тахометров на карбюраторных двигателях с контактной системой зажигания.