Capitolul I.Mecatronica în autovehiculul modern 6 1.1 Rolul mecatronicii pe autovehicul 6 1.2 Senzori si traductori pe autovehicul 7 1.2.1 Senzorii… [303676]

Capitolul I.Mecatronica în autovehiculul modern 6

1.1 Rolul mecatronicii pe autovehicul 6

1.2 Senzori si traductori pe autovehicul 7

1.2.1 Senzorii electronici 7

1.2.2 Senzorul Hall: 8

1.2.3 Senzorul inductiv: 9

1.3 Managementul electronic al automobilului 10

1.3.1 Clapeta de accelerație: 10

1.3.2 Debitmetrul de aer: 12

Capitolul II.[anonimizat]. 13

2.1 Unitatea electronică de control 14

2.1.1 Evoluția sistemelor electrice/electronice de pe automobile 15

2.2 ECU- Unitatea de control a motorului 19

2.2.1 Componentele ECU 20

2.2.2. Controlul digital al unor echipamente de putere 21

2.3 Transmiterea informațiilor in autovehicul.Comunicarea între calculatoare si senzori.Protocolul de comunicare CAN 24

2.3.1 Protocolul de comunicare CAN (Controller Area Network) 25

2.3.2 Scurt istoric 26

2.3.3 Aplicațiile CAN in industire 27

2.3.4 Caracteristicile protocolului de comunicare CAN 29

2.3.5 Comunicarea pe baza de cadre 32

2.3.6 Transmiterea mesajelor 34

2.3.7 Detectarea erorilor și izolarea defectelor 36

2.3.8 Comunicarea CAN.Nivel fizic 36

2.3.9 Beneficiile utilizarii protocolului CAN 42

2.3.10 Protocolul MOST 45

Capitolul III . Simularea în timp real.Simularea de tip HIL (Hardware in the loop) 47

3.1 Simularea în timp real 47

3.2 Simularea de tip “Hardware in the loop” 52

3.2.1 Untilizarea simularii de tip HIL în industria auto 53

3.2.2 Funcționarea simulării de tip HIL 55

3.2.3 Echipamentul folosit în simularea HIL 57

3.2.4 Programe folosite în simularea de tip HIL 60

3.5 Avantajele simulari Hardware in the loop 66

Capitolul IV : [anonimizat] 67

4.1 Alegerea parametrilor inițiali de calcul 67

4.2. Calculul procesului de admisie 71

4.3 Calculul procesului de comprimare 74

4.4. Calculul procesului de ardere 77

4.4.1 Calculul procesului de arderea izocoră 78

4.4.2 Calculul procesului de ardere izobară 81

3.6. Calculul procesului de destindere 83

3.7. [anonimizat] 86

3.8. Cinematica pistonului 95

3.8.1. Deplasarea pistonului 95

3.8.2. Viteza pistonului 97

3.8.3. Accelerația pistonului 99

3.9. [anonimizat] 101

3.9.1. Forțele care acționează asupra mecanismului 101

3.9.2. Forțele rezultante din mecanismul motor 102

3.9.3. Momentul motor 103

Capitolul 4 : Calculul organologic 106

4.1. Construcția și calcului pistonului 106

4.1.1. Rol funcțional 106

4.1.2. Materiale 106

4.1.4. Calculul capului pistonului 108

4.2. Calculul și construcția bolțului 109

4.2.1. Rol funcțional 109

4.2.2. Materiale 109

4.2.3. Schema de calcul 109

4.3. Construcția și calculul segmenților 111

4.3.1. Rol funcțional. Construcție. 111

4.3.2. Calculul segmenților 112

4.4. Construcția si calculul cămașii cilindrului 112

4.4.1. Alegerea materialului 112

4.4.2. Alegerea tipului de cămașa 113

4.4.3. Stabilirea dimensiunilor principale ale cămășii 113

4.4.4. Calculul de rezistență 114

4.5. Construcția și calculul bielei 115

4.5.1. Rol funcțional. Componență. Condiții de funcționare. 115

4.5.2. Piciorul bielei. 115

4.5.3. Corpul bielei 116

4.5.4. Capul bielei 117

4.6. Construcția și calculul arborelui cotit 118

4.6.1. Rol. Componență. Condiții funcționale. 118

4.6.2. Alegerea dimensiunilor principale. 118

4.6.3. Verificarea fusurilor palier la oboseală 119

4.6.4. Verificarea fusului maneton la oboseală 119

 MAC: 120

Capitolul I.Mecatronica în autovehiculul modern

Mecatronica este un domeniu de cunoaștere interdisciplinar de înaltă tehnologie și inițial descria aplicarea tehnologiei bazată pe microprocesoare in controlul utilajelor.Astăzi termenul este utilizat într-un sens mult mai larg.

Fig.1

Dezvoltarea tehnico-științifica a arătat ca inovația se produce in principal la interfața diferitelor domenii de cunoaștere.În mecatronică ne referim la următoareledomenii interdisciplinare ale tehnologiei:

electro-mecanică

soft de mecanică

soft electronic

sisteme mecatronice

Proiectul are drept scop principal dezvoltarea și implementarea unor noi soluții în activitatea de cercetare din mecatronica si domeniile adiacente, în acord cu tendințele europene și mondiale din domeniu. Direcțiile de cercetare avute în vedere sunt modelarea, simularea, controlul și testarea produselor mecatronice.

Rolul mecatronicii pe autovehicul

Autovehicule rutiere – din ce în ce mai sigure si aproape de oameni .

De mai bine de 100 de ani masinile exista si ruleaza pe drumurile publice si pe parcursul acestor ani ele sunt intr-o continua dezvoltare. Transformarile fundamentale ale vehiculelor au inceput sa apara datorita masurilor draconice impuse la sfarsitul celui de-al doilea mileniu si la inceputul mileniului trei. Prospectele aratate de adoptarea unei noi legislatii referitoare la securitatea rutiera si reducerii emisilor au facut ca producatorii auto sa gandeasca in avans asupra masinilor care vor rula in viitorul apropiat.

Este evident ca aceste reguli, mentionate mai sus si care sunt legate de protectia mediului inconjurator si conversia asupra resurselor minerale pe de o parte, si reducerea costurilor, imbunatatind performanta si placerea de a conduce, pe de alta parte, a condus la schimbarile esentiale ale automobilelor.

Considerand dezvoltarile din ultimii ani, putem observa ca vehiculele au devenit din ce in ce mai complexe. De fapt, a devenit un sistem complicat care incorporeaza tehnologii moderne din numeroase campuri tehnice.

Ca si prim pas, putem folosi metode matematice simple care descriu comportamentul vehiculelor. Aceste modele sunt apoi folosite intr-o secventa optimizata pentru a sintetiza anumite configuratii optime pentru un vehicul sau pentru implementarea unei strategii de management pentru energii variate.

Ar trebui de asemenea, sa avem in minte ca trebuie sa obtinem modele simple, functionale care indeplinesc definitia nevoilor tehnice specificate. Dar sa nu uitam ca un sistem trebuie sa fie simplu, dar indeajuns de complex pentru a capta toate fenomenele fizice reprezentative ale sistemului modelat.

Proiectarea sistemelor mecatronice necesită o dezvoltare sistematică și utilizarea uneltelor moderne de proiectare. Funcție de tipul sistemului mecanic pot apare deosebiri asupra pașilor ce trebuie urmați. Pentru echipamentele de mecanică fină integrarea mecatronică trebuie realizată într-o măsură considerabilă. Influența electronicii în cazul unor elemente mecanice precum în domeniul auto: motorul, transmisie automata, ABS, suspensie etc. poate fi considerabilă. În cazul mașinilor unelte, roboților, sașiului auto etc. se observă în primul rând o proiectare mecatronică a elementelor componente urmată apoi de o reproiectare parțială a unor elemente ale structurii de bază.

În economie există o presiune puternică pentru reducerea timpilor de dezvoltare a noilor produse în condițiile realizării de produse inovative. Acest lucru este esențial într-o piață globală și se aplică în particular industriilor din categoria celor de “înaltă tehnologie”: auto, aerospațială, comunicații, etc. adică acolo unde unitatea electronică de control (ECU- electronic control unit) este o componentă vitală a fiecărui nou produs.

1.2 Senzori si traductori pe autovehicul

1.2.1 Senzorii electronici

În cei mai simpli termeni, senzorii electronici de pe automobil sunt dispozitive care oferă unității electronice centrale (ECU) informațiile necesare pentru a calcula, de exemplu, timpii de aprindere și cantitatea de combustibil ce urmează a fi injectată în cilindrii.

După cum era de așteptat, senzorii electronici sunt utili în variate circuite de control în buclă deschisă sau închisă, nu doar pe automobile. Cu toate acestea, principiul lor de operare este similar, atât în aplicațiile de tip automotive, cât și în alte tipuri de aplicații. Datorită acestui fapt, modul de funcționare al fiecărui senzor va fi studiat în cele ce urmează ca principiu fizic general, cu particularizare la ECU.

1.2.2 Senzorul Hall:

Descoperit de către Edwin Hall în 1879, efectul Hall se referă la apariția unui câmp electric în momentul în care un conductor parcurs de curent electric se află într-un câmp magnetic staționar. Vectorul de tensiune perpendicular pe direcția curentului și pe direcția de orientare a câmpului magnetic se numește tensiune Hall (UH).

Fig.1.2 Structura senzorului Hall: 1 – Curea rotativă într-un distributor cu 4 sectoare; 2 – Magnet permanent; 3 – Senzor Hall

În cazul în care senzorul Hall este plasat pe arborele cu came, scopul său este de a identifica primul cilindru (la începutul injecției de combustibil, controlul vibrațiilor, controlul aprinderii) în coordonare cu senzorul plasat pe arborele cotit. Pe de altă parte, senzorul Hall poate oferi următoarele informații:

• Viteza de ieșire a curelei de transmisie

• Detectarea activă a vitezei în cadrul sistemelor de tip ABS

• Înregistrarea parametrilor aprinderii

În cele ce urmează, va fi prezentat principiul de funcționare al senzorului Hall plasat pe arborele cu came. Un rotor alcătuit dintr-un material magnetic este plasat pe același ax cu arborele cu came, rotindu-se odată cu acesta. Circuitul integrat de tip Hall este plasat între rotor și un magnet permanent. Dacă un semn (de exemplu, un dinte de pe roată) trece prin dreptul elementului de măsură (placă semiconductoare) a senzorului de pe arbore, intensitatea câmpului magnetic perpendicular pe elementul Hall se modifică, ceea ce va duce la apariția unei tensiuni Hall în senzor:

CH este constanta Hall și în cazul unui semiconductor extrinsec unipolar,cu un singur fel de purtător de sarcină electrică de tip “n”,constanta Hall are expresia:

e- sarcina electrică a electronului [C]

Cu toate acestea, această tensiune este foarte mică, de ordinul milivolților. Senzorul conține un circuit integrat de evaluare ce procesează impulsurile și le trimite sub formă de semnale dreptunghiulare către UEC. Spre deosebire de cazul senzorului inductiv, tensiunea semnalului nu depinde de viteza relativă a senzorului și a rotorului (respectiv a motorului).

Fig.1.3 Structura acestuia (stânga) și principiul de funcționare al senzorului inductiv (dreapta): A – Conexiuni electrice; B – Înfășurare; C – Magnet permanent; D – Miez moale de fier

1.2.3 Senzorul inductiv:

În senzorul inductiv mărimea neelectrică produce o modificare măsurabila a inductanței unei bobine sau sistem de bobine.Inducția proprie a unei bobine avand N spire se determină cu relația:

Unde: Rm este reluctanța magnetică,Ii , Si este lungimea,respectiv sectiunea elementului de circuit magnetic; μi este permeabilitatea magnetică.

Așa cum numele său sugerează, un senzor inductiv funcționează pe principiul inducției, conform căruia o tensiune este generată într-o înfășurare care se mișcă în raport cu un cîmp magnetic ce o înconjoară.

Senzorii inductivi sunt utilizați pentru:

· Măsurarea vitezei (la arborele cotit, cutia de viteze sau în sistemele ABS)

· Determinarea poziției arborelui cotit

· Generarea pulsurilor pentru aprindere

Ca senzor pentru arborele cotit, cu scopul de a măsura viteza motorului, senzorul inductiv este compus dintr-un magnet permanent și o bobină (înfășurare de inducție) cu miez moale de fier. Generatorul de pulsuri este alcătuit dintr-o roată dințată montată pe volant, pe arborele cotit sau pe roata de transmisie, doar un întrefier redus despărțind-o de senzorul inductiv. Fulxul magnetic prin înfășurare depinde de care parte a roții dințate se găsește în fața senzorului. Dacă dintele se găsește în acea poziție, câmpul magnetic este concentrat, puternic, în timp ce pentru slăbirea câmpului, e necesar ca un spațiu dintre doi dinți să se afle în dreptul senzorului.

Când arborele cotit și roata dințată se rotesc, fiecare trecere a oricărui dinte prin fața senzorului modifică valoarea câmpului magnetic, inducând o tensiune în înfășurare. Numărul pulsurilor în unitatea de timp dau valoarea vitezei motorului. Rolul spațiilor dintre dinții roții este de a ajuta UEC să identifice poziția instantanee a motorului.

1.3 Managementul electronic al automobilului

1.3.1 Clapeta de accelerație:

Unitatea de comutație a clapetei de accelerație servește la a oferi informații despre setările clapetei și este montată direct pe axa acesteia. Setările acceleratorului sunt transmise către UEC și sunt folosite la calculul necesarului de combustibil.

Fig.1.4 Structura unității de comutație a clapetei de accelerație 1 – Axa clapetei de accelerație; 2 – Contactul de relanti (micro-comutator); 3 – Contactul de încărcare maximă

Unitatea de comutație conține două comutatoare acționate cu ajutorul unui schimbător. Ambele comutatoare oferă UEC informații despre starea de relanti a motorului și despre starea de încărcare maximă pentru a calcula precis unghiul de aprindere și cantitatea necesară de combustibil.

La relanti, unitatea de comutație se comportă în felul următor: permite întreruperea alimentării cu combustibil în timpul auto-propulsării, reducând semnificativ consumul la motoarele pe injecție în comparație cu motoarele cu carburator. Când automobilul se află în modul de auto-propulsare (rulând sub propriul impuls, cu pedala de gaz închisă), comutatorul anunță ECU că acceleratorul este închis, astfel încât ECU să oprească injecția de carburant la o viteză a motorului peste 1800 rpm; când viteza motorului scade sub 1100 rpm, injecția de carburant este reluată pentru a preveni blocarea motorului. Valorile pragului de viteză depind de sistemul de injecție al combustibilului.

În cazul încărcării totale, unitatea de comutație anunță UEC de acest fapt, astfel ca UEC să îmbunătățească amestecul de combustibil pentru a asigura o accelerare lină. Potențiometrul clapetei de accelerație îndeplinește aceeași funcție ca și unitatea de comutație prezentată mai sus. Abilitatea de a determina mult mai precis setările curente ale clapetei este o îmbunătățire față de unitatea de comutație. Mai mult, potențiometrul oferă UEC și informații despre frecvența cu care clapeta este deschisă/închisă prin acționarea pedalei de accelerație de către șofer. Această infor- mație permite UEC să ajusteze procentajul de carburant din amestecul combustibil mult mai precis decât cu informații obținute de la unitatea de comutație.

Fig.1.5 Principiul de funcționare (stânga) și structura potențiometrului clapetei de accelerație: 1 – Pista potențiometrului; 2 – Contactul alunecător; 3 – +5V; 4 – Semnal; 5 – Masa

Potențiometrul este, din punct de vedere constructiv, o rezistență variabilă ce conține un contact alunecător ce poate fi mutat de-a lungul unei piste. Contactul este legat la arborele clapetei, astfel că o schimbare în poziția contactului modifică setările clapetei. Conform cu legea lui Ohm, tensiunea de 5 V aplicată cade în întregime pe toată lungimea pistei. În alte cuvinte, la pinul de semnal (ieșire) sunt 5V în cazul în care contactul alunecător se găsește la limita din stânga, 0 V dacă se află la limita din dreapta și 2,5 V dacă el se găsește la mijlocul pistei.

În practică, limitele maximă și minimă sunt restricționate la valorile de 4,3 V, respectiv de 0,7 V, în funcție de design. Restricțiile au rolul de a facilita identificarea scurt-circuitelor și a întreruperilor liniilor de semnal. Pentru calculul sarcinii, semnalul de la ieșirea potențiometrului este folosit împreună cu semnalul primit de la sonda lambda în cazul injecției printr-un singur punct, și împreună cu semnalul de la debitmetru sau de la senzorul de presiune absolută în cazul motoarelor cu injecție multi-punct.

În sistemele ce incorporează o funcție de accelerare electronică (E-gaz), semnalul potențiometrului este utilizat pentru controlul în buclă închisă în legătură cu servomotorul ce acționează clapeta de accelerație. Este important pentru potențiometru să ofere un semnal continuu, fără întreruperi. Pe măsură ce acesta se uzează, pista se deteriorează, ceea ce poate duce la transmiterea de semnale eronate ce nu pot fi interpretate ca atare în timpul auto-diagnosticării. Acest lucru se întâmplă când o citire a unei tensiuni în limite normale este posibilă deși semnalul nu este prezent.

1.3.2 Debitmetrul de aer:

Un debitmetru de aer măsoară cantitatea de aer ce trece prin conducta de admisie în unitatea de timp. Deoarece cantitatea de oxigen din fluxul de aer este proporțională cu debitul măsurat, această variabilă poate fi utilizată pentru controlul procesului de combustie, în special la motoarele cu combustie internă.

Debitmetrul este intalat între filtrul de aer și conducta de admisie a motorului. În acest fel, aerul necesar amestecului inflamabil trece prin debitmetru. Informația despre debitul de admisie a aerului etse transmisă către UEC, unde va fi calculată cantitatea de combustibil ce trebuie injectată în amestec. Motoarele care nu utilizează debitmetre de aer folosesc un senzor de tip P.A.V.

Motoarele automobilelor sunt utilizate cu debitmetre cu placă filmată. În acest caz, o suprafață de măsură (partea filmată) este încălzită până la o valoare prescrisă a temperaturii. În momentul în care aerul trece pe deasupra suprafeței, aceasta este răcită, pentru ca, mai apoi, circuitul intern al senzorului (punte Wheatstone) să re-încălzească placa filmată până la temperatura prescrisă.

Valoarea curentului necesar pentru re-încălzirea filmului indică valoarea debitului de aer ce a trecut prin senzor. Această valoare a curentului este convertită de circuitele electronice ale debitmetrului într-o valoare a tensiunii de ieșire.

Fig.1.6 Structura debitmetrului de aer (stânga) și principiul de funcționare (dreapta): A – Conexiuni electrice; B – Carcasa; C – Admisia de aer; D – Elementul de măsură

Avantaje:

· Reacție rapidă

· Acuratețe ridicată a măsurării debitului, în special pentru nivele joase (0 – 1 m/s)

· Ieftin

Dezavantaje:

· Se poate murdări

· Expus la deteriorări de ordin mecanic

Pentru a evita deteriorarea mecanică sau murdărirea senzorului, doar o parte a debitului de aer necesar motorului este trecut prin debitmetru.

Capitolul II.Utilizarea sistemelor electronice de gestiune,comandă și reglaj în automobile.

Implementarea electronicii aduce îmbunatațiri tuturor funcțiilor automobilului pornind de la managementul electronic al motorului,transmiterea fluxului de putere,stabilității și rotației șasiului,siguranței pasive sau active,până la coordonarea confortului și comunicare cu exteriorul.

Electronizarea acestor funcții devine pentru automobilul modern un deziderat major.Implementarea electronicii in construcția automobilelor actuale este atât de profunda și complexa incât industria constructoare de mașini a devenit pe plan mondial un consumator de componente electronice mai important decat industria electronică.Pâna in prezent aplicarea electronicii in construcția automobilului european a fost constant depășita de aplicațiile similare din Japonia si Statele Unite;ritmul de implementare in Europa este mult mai înalt ceea ce perminte constructorilor europeni să ajunga la nivelul concurentei.

În prezent reglarea automată a sistemelor implică în mod pregnant o abordare integrală a problematicii tehnologice. Mecatronica atrage din ce în ce mai mult atenția. Termenul este tot mai des folosit într-o gamă tot mai largă de produse și aplicații inginerești și se referă la îmbinarea sinergetică dintre ingineria de precizie, controlul electronic și gândirea integratoare în procesul de proiectare al produselor și proceselor de fabricație. Este un subiect cu caracter interdisciplinar ce se bazează pe discipline de bază inginerești dar în același timp include discipline neasociate în mod direct cu disciplinele de bază.

Conceptul de bază în această definiție este ideea de abordare a sistemului ca întreg. Acest lucru implică proiectarea și optimizarea sistemului ca un întreg și nu ca o secvență incrementală de pași. În cadrul proiectării produselor mecatronice este esențială munca în echipă. Specialiști din domeniul mecanic, electric, control și știința calculatoarelor trebuie să coopereze în cadrul unei echipe în toate fazele de proiectare pentru a converge la o soluție integrată. Este evident că orice definiție a mecatronicii am alege, într-o accepțiune modernă, aceasta implică procesarea informației ca și ax central.

Fig.2.1 Componente electronice in automobil.

2.1 Unitatea electronică de control

Unitățile electronice de control sunt sisteme sofisticate bazate pe microprocesoare ce realizează numeroase funcții de control in timp real. Printre acestea se enumera funcții cum ar fii: controlul emisiei, ABS-ului, transmisiei, aerului conditionat, motorului. Supervizarea acestor sisteme este posibilă cu ajutorul datelor colectate de la o varietate de senzori atașați componentelor din interiorul vehiculelor. Senzorii măsoară valorile si stările parametrilor vehiculului in timpul funcționării. Datele colectate sunt transferate in permanență către fiecare unitate de control care are responsabilitatea de a realiza ajustările si setările necesare pentru o funcționare optimă a sistemului. De exemplu, unitatea electronică de control (ECU) al motorului poate controla cantitatea de carburant injectată fiecarui cilindru, pastrând în parametrii optimi performanța motorului.

Deasemenea, poate asigura protecție motorului în cazul întâlnirii unei valori anormale a unui parametru. De exemplu, dacă temperatura motorului crește peste un nivel critic sau presiunea uleiului scade sub un nivel critic, o instrucțiune predefinită implementată in software-ul ECU poate opri motorul sau poate scădea puterea de iesire. Datele ce conțin valori anormale provenite de la senzori sau parametri genereaza Diagnostic Trouble Codes (DTC) care sunt stocați in ECU-uri. Cu un dispozitiv de diagnosticare conectat la DCU, poate fi achiziționata de la sistem o cantitate mare de date provenite din diagnosticare, furnizând astfel informații vitale celui care acceseaza interfața. Având cunoștințele necesare pentru a comunica cu fiecare ECU din rețea, un tehnician poate citi sau sterge DTC-uri, poate afisa condițiile parametrilor si poate actualiza ECU-ul cu noi pachete de software.

2.1.1 Evoluția sistemelor electrice/electronice de pe automobile

În prezent sistemele electronice de pe automobile cunosc o dezvoltare fără precedent. Pentru automobilele de lux se estimează că sistemele electronice reprezintă aproximativ 23% din costul total al automobilului. De asemenea, experții estimează că aproximativ 80% din inovațiile aduse în domeniul auto fac parte din categoria sistemelor electronice.

Fig.2.2 Sisteme guvernate de unitați electronice de control in automobil

Începând cu 1970 se poate observa o creștere exponențială a numărului de componente electronice utilizate pe automobile, ce au ca scop înlocuirea componentelor mecanice și hidraulice. Scopul principal al sistemelor electronice de pe automobile este de a asista conducătorul auto în ceea ce privește controlul automobilului, prin intermediul tracțiunii (motor), direcției (servodirecție electrică), sistemului de frânare (ABS, ESP) sau a suspensiei (suspensie activă). Un alt scop al sistemelor electronice este de a controla luminile, ștergătoarele, ușile și mai nou sistemele multimedia (radio, DVD), sistemele de comunicație (telefonie "hands free") și de poziționare globala (GPS).

Fig.2.3

Literele din graficul de mai sus reprezintă progresele semnificative făcute în domeniul sistemelor electrice/electronice de pe automobile:

A. semnalizare optică, acustică, radio, demaror, dinam;

B. aprindere tranzistorizată, alternator;

C. controlul vitezei de croazieră, injecția electronică de combustibil, controlul electronic al transmisiilor automate.

D. calculator de bord, indicator interval service, ABS, telefonie mobilă;

E. cheie electronică, sisteme integrate de control al motorului și al transmisiei, instrumente de bord electronice, TCS(Traction Control System), suspensie adaptivă, diagnoza senzorilor de impact, sisteme de protecție antifurt;

F. imobilizator electronic, senzor de impact zonal;

G. multiplexare, diagnoză, sistem de navigare;

H. senzori de impact lateral, senzor de măsura a presiunii din pneuri;

I. sistem de acces în automobil bazat pe perimetru, detectarea prezentei ocupanților automobilului, detectarea și prevenirea răsturnării automobilului;

J. ACC(Adaptive Cruise Control), ESP(Electronic Stability Program);

K. sisteme X-by-wire (sistem de frânare și direcție electronică);

Introducerea sistemelor electrice pe automobile începe în jurul anului 1950. În acestă perioadă nu putem vorbi încă de sisteme electronice veritabile deoarece nici unul dintre sisteme nu conține materiale semiconductoare.

Evoluția sistemelor electrice/electronice a luat avânt începând cu anii 1970 și continuă până în zilele noastre. Conținutul de sisteme electrice/electronice de pe automobile a crescut de la 0% în 1950 până la 25% în prezent.

Numărul mare de sisteme electronice aflat pe un automobil impune schimbul de informații între diferitele sisteme ce echipează automobilul. Acest schimb de informații are ca scop reducerea numărului de senzori, prin utilizarea aceleiași informații furnizată de un senzor de către mai multe calculatoare.

Modulul de control electronic este folosit în sectorul auto în multe aplicații electronice, precum și pentru controlul electronic la dirijarea de mașini, instalații industriale și multe alte procedee tehnice. Aceste modulele fac parte din sistemele încorporate.

Sub denumirea generica de computer auto se ascunde de fapt un numar mai mic sau mai mare de microprocesoare care au functii dedicate si care controleaza functionarea diferitelor componente ale masinii. Exista microprocesoare care monitorizeaza aprinderea motorului, altele care se ocupa de functionarea airbag-urilor, altele de modulul de aer conditionat, de sistemele de siguranta ABS sau ESP, chiar si de deschiderea sau închiderea geamurilor. Toate aceste microprocesoare sunt, asa cum le spune si numele, niste calculatoare în miniatura care ruleaza în memoria lor niste programe, primesc în permanenta date de la componentele masinii si prin prelucrarea acestor date de catre programul din memorie, furnizeaza la randul lor niste date de iesire, care se concretizeaza în comenzi transmise catre diferite dispozitive ale masinii.

În trecut motoarele erau simple, electronica aproape inexistenta si metodele de protectie a pasagerilor mult mai rudimentare. Pe masura ce au început sa apara elemente de comfort si siguranta tot mai avansate, norme de poluare mai stricte si dorinta de a face economie de materiale, constructorii auto au început sa apeleze la beneficiile aduse de utilizarea microprocesoarelor si a metodelor de comunicatie moderne.

Practic s-a trecut la utilizarea microprocesoarelor din mai multe motive :

pentru a simplifica procesul de construire a masinii.

pentru a reduce emisiile poluante ale motorului si a consumului de carburanti.

pentru a reduce cantitatea de cabluri necesare functionarii masinii.

pentru a îmbunatati metodele de diagnosticare a defectiunilor.

pentru a putea aduce noi facilitati fara a face modificari majore la designul si componentele deja existente într-o masina nu în ultimul rând pentru cresterea sigurantei pasagerilor.

2.2 ECU- Unitatea de control a motorului

ECU este de obicei cel mai puternic microprocesor dintre toate care exista în masina pentru ca este pus la treaba cel mai mult. Practic acesta are de facut milioane de calcule pe secunda trebuind sa analizeze datele oferite de zecile de senzori amplasati prin toata masina si apoi sa decida asupra celor mai bune valori care sa le transmita motorului pentru ca acesta sa functioneze cu consum minim de carburant si sa polueze cat mai putin mediul inconjurator.

Motoarele moderne utilizate pentru propulsarea automobilelor, pe benzină sau diesel, sunt controlate în totalitate de sisteme electronice. Partea „inteligentă” a acestor sisteme de control este reprezentată de calculatorul de injecție. Acesta, pe baza informațiilor primite de la senzori (poziție, turație, presiune, etc.), determină starea motorului și acționează asupra diferitelor actuatoare (injectoare, supape, motoare electrice, etc.) în scopul atingerii regimului de funcționare cerut de conducătorul auto (exprimat prin poziția pedalei de accelerație).

Fig.2.4 ECU Bosch

Unitatea de control a motorului este proiectat să funcționeze în condiții de solicitări termice si mecanice extreme. Acesta trebuie să lucreze la parametrii nominali fiind expus la:

temperaturi extreme: -40…120 °C variații mari de temperatură

expunere la contaminarea cu apă, ulei, combustibil, etc.

solicitări și vibrații mecanice

ECU-ul are rolul de a comanda cantitatea de combustibil care intra în camerele de ardere, momentul cel mai bun în care sa aiba loc aprinderea amestecului combustibil si toate acestea in functie de viteza, temperatura motorului si a mediului ambiant, de cantitatea de si din aerul aspirat de motor.

Practic, ECU primeste aceste date de la senzorii amplasati în motor si le foloseste ca parametri în ecuatiile pe care le are de rezolvat pentru a produce alte date de iesire care vor comanda mecanismele de control ale motorului: injectoare, pompe, bujii.

ECU functioneaza ca un sistem de reglaj cu circuit închis (closed-loop control), ceea ce înseamna ca el regleaza valorile parametrilor de iesire în functie de valorile parametrilor de intrare. Cu alte cuvinte, el primeste date de la senzorii care monitorizeaza cantitatea de oxigen din gazele de ardere, viteza autoturismului, temperatura motorului si alte valori pe care le analizeaza, si in functie de aceste valori trimite comenzi catre injectoare si prelungeste sau micsoreaza timpul cat acestea raman deschise, reglând în acest fel cantitatea si calitatea amestecului combustibil precum si momentul arderii.

ECU este ca un un mini-calculator care functioneaza foarte eficient. Practic acesta are o viteza mult mai mica decât calculatorul pe care îl folositi in acest moment pentru a cititi aceste informatii, are la dispozitie o memorie mult mai mica si cu toate acestea îsi face treaba foarte bine. Pentru ca soft-ul pe care îl ruleaza el nu este Windows, Linux sau Mac OS. Este un cod masina optimizat care nu stie sa faca altceva decât ceea ce a fost programat sa faca: adica sa calculeze niste valori pe baza datelor primite de la senzori.

ECU este proiectat sa functioneze în toate conditiile de lucru. Inginerii care proiecteaza aceste unitati de control au luat în calcul si variata în care unul sau mai multi senzori se defecteaza. În aceste conditii ECU nu se opreste din functionare ci trece în modul Safe (sau LIMP cum mai este denumit în alte cazuri), ceea ce inseamna ca ECU nu mai tine cont de toate datele furnizate de senzori si trimite comenzile catre motor pe baza unor date prestabilite pe care le are inregistrate în memorie. Practic în memoria sa exista un tabel de valori care a fost conceput de ingineri pentru a asigura buna functionare a motorului pâna ce proprietarul remediaza problemele aparute la senzorii defecti. Este de la sine înteles faptul ca în aceste conditii consumul de carburant nu mai este optim ci mai mare decât cel pe care l-ar fi realizat ECU în conditii de functionare normala. Exista cazuri în care nu se defecteaza nici un senzor,însă valorile transmise de catre acesta nu se încadreaza în limitele acceptate de ECU, sau valorile primite de la diferiți senzori sunt contradictorii, caz în care ECU consideră că cel puțin unul din acești senzori este defect și nu mai ia în considerare valorile transmise ci le preia din tabelele din memorie.

2.2.1 Componentele ECU

ECU este un dispozitiv destul de complex. Acesta trebuie sa stie sa lucreze cu toate celelalte componente ale motorului. De aceea, exista tot felul de dispozitive ajutatoare care convertesc semnalele primite si trimise de ECU diverselor componente cu care acesta comunica.

Convertoare analogice-digitale (A-D):

ECU lucreaza cu date in format digital. De cele mai multe ori, valorile transmise de catre senzori sunt niste valori de tensiune care se încadreaza între anumite limite. Aceste valori trebuie convertite în format digital, pe un anumit numar de biti, si cu aceste transformari se ocupa convertorul analog-digital.

Convertoare digital-analogice (D-A):

Tot pe principiul convertorului A-D de mai sus, uneori ECU trebuie sa ofere comenzi diferitelor componente pe care le controleaza, sub forma de curent electric cu o anumita tensiune. Cum datele pe care le prelucreaza el sunt in format digital, acestea trebuie convertite în valori analogice, iar de acest lucru se ocupa aceste convertoare Digital-Analigice.

Fig.2.5 Componente ECU Continetal

2.2.2. Controlul digital al unor echipamente de putere

De multe ori, ECU trebuie sa comande pornirea sau oprirea unor subansamble care folosesc o putere mult mai mare decât cea cu care lucreaza el. De aceea, anumite comenzi trebuie sa fie transformate din valorile digitale 0 si 1 (care pot fi considerate echivalente cu starile oprit si pornit ale unui dispozitiv) în comenzi de oprire si pornire a unor relee care mai departe comanda echipamentele cu pricina.

Ajustarea valorilor:

De multe ori, valorile transmise de catre senzori nu pot fi procesate de convertoarele analogice-digitale si au nevoie de o ajustare inainte de procesare. De exemplu, unii senzori pot oferi valori în domeniul de tensiuni: 0 – 1.1 volti, valori care nu pot fi prelucrate de catre convertorul analogic-digital care stie sa lucreze cu valori cuprinse între alte limite. De aceea, aceste valori trebuie mai întâi ajustate pentru a ajunge la intervalul de valori cu care lucreaza convertorul A-D sau D-A.

Chip-uri de comunicatie:

Acestea se ocupa cu transmiterea si receptionarea datelor prin magistrala de comunicatii. Toate dispozitivele microprocesoare comunică folosind aceeași magistrală de date, prezentata în paragraful urmator.

Fig.2.6 Model conectori ECU

Mai putine cabluri în autovehicul

Unul dintre avantajele aduse de utilizarea microprocesoarelor auto este si reducerea numarului de cabluri electrice necesare bunei functionari a sistemelor electrice si electronice ale masinii.

În trecut, când nu se utilizau aceste microprocesoare, pentru a face legatura dintre un panou de comanda si elementul comandat de acesta era nevoie de unul sau mai multe cabluri care sa faca legatura directa între acestea. Ne putem imagina acest lucru daca ne gandim la o masina moderna care permite deschiderea si închiderea geamurilor atât din usa soferului cât si din usa respectivului geam.

Aceasta ar fi însemnat ca sa existe legaturi directe între butoanele din usa soferului cu fiecare din geamurile comandate. Pe acest principiu, adunate toate aceste cabluri si conectori duceau uneori la zeci de kilograme în plus si sute de metri de cabluri, mai ales la masinile mai sofisticate.

Rezolvarea a venit odata cu utilizarea microprocesoarelor si introducerea sistemelor de transmisie a datelor printr-o magistrala de date seriala. Aceasta înseamna ca toate datele sunt transmise prin aceleasi fire electrice însa exista un protocol de control al datelor numit multiplexare care stie sa faca distinctie între aceste date si sa le dirijeze catre modulele de control de care apartin.

Utilizarea sistemului centralizat de comunicatie în cadrul vehiculului ofera multe beneficii, unele dintre acestea fiind abia descoperite si exploatate:

ofera flexibilitate mult mai mare producatorilor deoarece multe dotari optionale se pot adauga doar prin actualizarea soft-ului sau prin adaugarea unor module separate

un numar redus de cabluri si cablaje care duce în final la costuri de fabricatie mult reduse, greutate mai mica, cresterea fiabilitatii, usureaza depanarea si instalarea

toate datele furnizate de senzori (viteza, temperatura, etc. ) sunt disponibile tuturor dispozitivelor conectate la reteaua de date din autovehicul

Fig.2.7 Diagrama cablaj ECU

Protocoalele standardizate permit modulelor furnizate de diferiti producatori sa se interconecteze mult mai usor între ele, într-un fel de arhitectura deschisa. Aceasta permite utilizarea unor testere standardizate si aduce economii importante din productia la scara mare a acestor componente. Practic, pe furnizorii acestor componente nu îi mai intereseaza ce se întâmpla mai departe cu datele furnizate de modulele lor, iar pe constructorii de autoturisme nu îi mai intereseaza modul de functionare al subansamblului atâta timp cât el furnizeaza datele de care are nevoie.

Desi acest sistem de comunicatie a fost disponibil de mai mult timp, nu s-a folosit imediat pentru ca cei mai mari fabricanti din Statele Unite erau bine integrati pe verticala, si nu erau legati prea mult de furnizorii de subansamble externi. Lucrurile au stat însa diferit în Europa unde constructorii auto apelau la multi producatori de subansamble, iar acestia la rândul lor furnizau aceste subansamble mai multor producatori, utilizând specificatii diferite pentru aceleasi componente. De aceea în Europa acest sistem a prins mai repede, fiind apoi adoptat din ce în ce mai mult si in SUA.

Dupa cum am mentionat anterior modulele electronice de control al motoarelor, au fost utilizate în primul rând pentru reglarea aprinderii acestora. Din anul 1987 aceste module electonice sunt folosite pentru reglarea aprinderii și la motoarele diesel. Aproximativ de la mijlocul anilor 90 sistemele de reglare mecanice la motoarele cu combustie internă, au fost aproape complet înlocuite de către modulele de control electronice. Modulele de control ECU din componența autovehiculelor includ în afara sistemului de aprindere, printre altele și: sistemul de pornire, de anti-blocare al frânelor (ABS), de climatizare, de control airbag, controlul de distanță, etc.

Unități de control vizibile sunt pe tahometru, în forma lui nouă împreună cu turometru și diverse alte indicatoare. Senzori cum ar fi, nivelul combustibilului în rezervor, presiunea uleiului pot dispune de propriul modul electronic care sunt, printre altele, memorate pe termen lung.

Modul monitorizare

În cazul motoarelor cu control electronic al obturatorului, calculatorul de injecție este prevăzut cu un modul adițional de monitorizare a anumitor parametrii ai motorului (poziție pedală accelerație, presiune rampă combustibil, cuplu motor calculat, etc.). De exemplu, cuplul motor este calculat redundant, de două microprocesoare. Dacă se detectează diferențe între cele două valori de cuplu, se ridică un cod de eroare iar motorul intră în stare de avarie. Acesta este un mod de protecție deoarece o valoare a cuplului motor calculată eronat, poate conduce la accelerări bruște ale motorului și implicit la posibile accidente.

2.3 Transmiterea informațiilor in autovehicul.Comunicarea între calculatoare si senzori.Protocolul de comunicare CAN

Un autoturism este echipat la ora actuală de un număr din ce în ce mai mare de calculatoare, acesta depășind 50 la unule automobile.Cu ajutorul procesoareleor si microcontroalelor ce sunt implementate in calculatoare dar si cu ajutorul unor sisteme si protocoale de comunicare, a fost redus considerabil materialul folosit pentru cablaj și complexitatea. Deasemenea, accesarea informațiilor si monitorizarea parametrilor sau erorilor este usor permisa cu o interfata de catre un tehiniciat sau specialist.

2.3.1 Protocolul de comunicare CAN (Controller Area Network)

Controller Area Network (CAN) este un protocol care a fost dezvoltat inițial pentru industria auto, in special in Europa, dar a devenit o soluție preferată și in domeniul automatizărilor industriale cât și în alte aplicații. Magistrala CAN este folosită în principal pentru sisteme integrate și, după cum numele sugerează, este o tehnologie care poate îndeplini necesitatea de comunicare în timp real între microcontrolere.

Fig.2.8 Logo Controller Area Network

CAN este o rețea de mare viteză semi-duplex pe două fire, care este mult superioară altor tehnologii seriale convenționale ca RS232 în ce privesc funcționalitățile si fiabilitatea fiind în același timp eficientă din punctul de vedere al costurilor. În timp ce, spre exemplu, TCP/IP este proiectat pentru a transporta cantități mari de date, CAN este proiectat pentru comunicarea în timp real iar cu viteza acestuia de 1 MBit/sec poate întrece cu ușurință o conexiune TCP/IP în ce privesc timpul de reacție, detecția si corecția de erori.

Mulți producători de semiconductoare ca Motorola, Philips, Intel, Infineon și mulți alții comercializează chip-uri CAN, iar faptul că milioane dintre acestea sunt folosite pentru automobile garantează că vor fi disponibile pe termen lung și vor avea un preț mic. Majoritatea producătorilor de semiconductoare care de obicei integrau un UART pentru compatibilitate cu comunicația serială RS 232/485, în prezent tendința acestora este de a integra CAN în schimb.

Folosirea sistemelor CAN în majoritatea autovehiculelor și camioanelor a dus la dezvoltarea chip-urilor CAN încă din 1987. Alte piețe cum ar fi aparatele electrocasnice și controlul industrial de asemenea cresc vânzările CAN și garantează disponibilitatea acestora pe viitor.

Rețelele CAN pot fi folosite ca un sistem de comunicații integrat pentru microcontrolere cât și ca un sistem de comunicație deschis pentru dispozitive inteligente. Anumiți utilizatori, de exemplu în domeniul inginerie medicale, au optat pentru CAN deoarece trebuiesc îndeplinite niște condiții stricte de siguranța a transmisiei. Condiții similare trebuiesc luate în considerare și de către producătorii de echipamente care necesită un standard ridicat de siguranță și fiabilitate ( de exemplu sisteme de transport și ascensoare).

Controller Area Network

Este un sistem de comunicație serială pentru aplicații în timp real

Este mai ieftin decât orice alt sistem de comunicație serială inclusiv RS232 sau TCP/IP

Mai ușor de utilizat decât celelalte sisteme seriale

Operează la viteze de până la 1 MBit/sec

Mecanisme de detectare a erorilor și izolare a defectelor

Poate funcționa în medii perturbate electric

Este un standard internațional: ISO 11898

2.3.2 Scurt istoric

Ideea protocolului CAN a luat naștere la Robert Bosch GmbH, o companie de

inginerie și electronice multinațională cu sediul în Germania, în anul 1980. Inginerii de la Bosch au cercetat piața în căutarea unei tehnologii potrivită pentru extinderea funcționalităților unui automobil. Obiectivul principal era găsirea unui sistem de comunicare între mai multe ECU-uri ( electronic control unit) pentru vehicule Mercedes-Benz.

Orice sistem bazat pe o comunicație serială ar fi redus cablajul, lucru care inițial era considerat doar ca un avantaj. Controlul distribuit, adică folosirea unui sistem cu mai multe procesoare separate, ar fi crescut performanțele iar costurile deja mici al microcontrolerelor făceau ca acest sistem să aibă costuri reduse. Alte avantaje erau fiabilitatea crescută și întreținerea ușoară a sistemului.

Totuși, niciunul din protocoalele existente nu îndeplineau cerințele specifice de viteză și siguranță a datelor, așa că au dezvoltat propriul standard. Implicarea unui producător de autovehicule – Mercedes Benz, a unui producător de semiconductoare – Intel, și a mai multor universități din Germania au transformat CAN într-un succes.

Standardul CAN a fost prezentat pentru prima oară în 1986 la congresul SAE (Society of Automotive Engineers) din Detroit, Michigan. Primele controlere CAN, Intel 82526 și Philips 82C200, au fost prezentate în 1987. De atunci multe alte companii au luat decizia de a produce controlere CAN sau de a le implementa în circuitele lor.

Protocolul CAN este patentat de către Robert Bosch GmbH. Bosch oferă licențe producătorilor și universităților. Nu este necesară o licență pentru aplicațiile bazate pe dispozitive CAN de la un producător licențiat.

Un alt pas important pentru succesul CAN a fost înființarea CAN-in-Automation (CiA) în 1992. CiA este organizația internațională a utilizatorilor și a producătorilor, a căror activități este bazată pe interesul, participarea și inițiativa membrilor.

1983 – Începutul proiectului intern Bosch de a dezvolta o rețea pentru autovehicule

1986 – Prezentarea oficială a protocolului CAN

1987 – Primele controlere CAN disponibile de la Intel și Philips

1991 – Bosch publică specificația CAN 2.0

1992 – CiA este înființată ca un grup internațional al utilizatorilor și producătorilor

1993 – Publicarea standardului ISO 11898

1994 – Prima Conferință Internațională CAN (iCC) organizată de CiA

1994 – Protocolul DeviceNet introdus de Allen-Bradley

1995 – Publicarea amendamentului ISO 11898 ( formatul cadrului extins)

1995 – Publicarea protocolului CANopen de către CiA

În prezent, 80% din numărul total de controlere CAN vândute sunt utilizate în industria auto, iar 20% de numeroase alte aplicații.

Fig.2.9 Numărul nodurilor CAN utilizate în întreaga lume în milioane

2.3.3 Aplicațiile CAN în industire

Protocolul CAN poate fi utilizat în multe alte domenii. Este un sistem universal, care poate fi utilizat în orice aplicație industrială: aerospațială, navală, medicală până la aplicații casnice cum ar fi mașini de spălat sau automate de bauturi.

Avantajul principal al sistemului CAN este reducerea cablajelor scumpe si performanța crescută a sistemului multi-procesor. CAN este în special potrivit pentru aplicațiile în care performanța excelentă este o condiție minimă.

Aplicațiile principale sunt în domeniul vehiculelor pentru pasageri, camioane și autobuze, vehicule off-road, trenuri de pasageri și de marfă, electronică navală, aviatică și electronică aerospațială, automatizări, controlul mașinilor industriale, ascensoare, echipament medical și multe altele. Se estimează că peste 90% din aplicațiile industriale implică cel puțin parțial controlul mișcării unor ansambluri. Numărul de noduri CAN instalate, circa 1 milion, fac această aplicație una din cele mai mari exceptând industria auto.

Unul din cele mai solicitantă sarcină în automatizare în ce privește viteza și acuratețea este controlul mișcării. Conexiunea dintre procesor și motor necesită un cablaj intensiv. Situația se înrăutățește când sarcina necesită mișcarea pe mai multe axe. Nu numai că numărul de cabluri ar fi mult mai mare, dar ar fi și din ce în ce mai greu să adăugăm mai multe procesoare. Alt dezavantaj este că performanța fiecărui procesor va fi limitată de timpul de răspuns.

Soluția ar fi utilizarea unui sistem de control distribuit. Fiecare componentă de intrare/ieșire și fiecare axă de mișcare este echipată cu propriul controler. Legătura dintre componente se face cu ajutorul CAN. Acest design oferă simplitatea de a adăuga un număr nelimitat de componente fără pierderi în performanță. Sunt necesare doar două fire între componente, ceea ce nu reduce doar costul cablajului, ci reduce și riscul de a apărea defecțiuni.

Întreținerea fiecărei componente se face ușor deoarece ne putem conecta oriunde în rețea și putem comunica cu orice nod. Comunicarea se poate face cu un singur soft deoarece toate componentele folosesc acelaș limbaj.

CAN in Automation

CAN-in-Automation (CiA) este organizația internațională a utilizatorilor și producătorilor care dezvoltă standardele CAN și protocoalele de nivel înalt bazate pe CAN. Toate activitățile sunt bazate pe interesul, participarea și inițiativa membrilor. Reprezentanți CiA susțin standardizarea protocolului CAN la nivel internațional și reprezintă interesul membrilor în comitetele naționale și internaționale de standardizare, cum ar fi ISO și IEC. Membrii CiA inițiază și dezvoltă specificații care sunt publicate ca standarde CiA. Aceste specificații acoperă definițiile nivelului fizic, cât și nivelul aplicație și descrierile dispozitivelor.

Standardul internațional ISO 11898

ISO (International Organization for Standardization) este o federație care furnizează standarde internaționale care sunt prelucrate de către comisii tehnice. Orice membru ISO, care este interesat de subiectul pentru care s-a înființat un comitet, are dreptul să participe în procesul de standardizare.

Standardul ISO 11898, intitulat „Road vehicles – Controller area network (CAN)”, a fost publicat în 1993, urmat de un amendament în1995 care descrie formatul extins. Prima ediție a ISO 11898-2, împreună cu ISO 11898-1, înlocuiesc ISO 11898:1991, care a fost revizuit tehnic.

ISO 11898 este format din următoarele părți:

Nivelul legătură de date și semnalizarea fizică

Interfața de mare viteză

Interfața de viteză mică tolerantă la defecte

Comunicarea declanșată în funcție de timp

2.3.4 Caracteristicile protocolului de comunicare CAN

CAN este bazat pe fiabilitate maximă și gândit pentru performanță deoarece acesta a fost proiectat inițial pentru automobile, un mediu extrem de solicitant nu doar privind robustețea la interferențele electrice, ci și din punctul de vedere al vitezei necesare.

Multe companii din domeniul ingineriei medicale au ales CAN datorită cerințelor stricte de siguranță care trebuie îndeplinite. Probleme similare au și producătorii altor echipamente ca ascensoare sau sisteme de transport.

Proprietățile CAN pot fi enumerate astfel:

Acces la magistrală bazat pe un sistem de prioritate Multi-Master

Arbitrarea mesajelor non-destructivă

Filtre de acceptare a mesajelor

Configurare flexibilă

Detectare și semnalizare erori

Cererea de date la distanță

Consistența datelor este asigurată la nivel de sistem

Retransmisia automată a mesajelor care au pierdut arbitrarea

Distincția dintre erori arbitrare și defecte permanente a nodurilor

Retransmisia automată a mesajelor transmise eronat

Multiplexare

Transmiterea digitala are mari avantaje fața de cea analogica.În transmieterea digitală,semanlele analogice sunt codate in semnale digitale printr-un ansamblue de prelucrari numit modularea impulsurilor in cod)Pulse Code Modulation).

Pentru a putea discuta despre protocoale de comunicație utilizate pe automobile mai întâi trebuie să clarificam modul în care calculatoarele ce echipează un automobil schimbă informații între ele. Să presupunem că automobilul este echipat cu un calculator de injecție (ECU), are transmisie automată (TCU) și de asemenea este prevăzut cu sistem de frânare ce previne blocarea roților (ABS).

În tabelul de mai jos sunt date ca exemplu informațiile care sunt schimbate între cele trei calculatoare. „Tx”semnifica faptul ca informația este transmisa iar „Rx” înseamnă că informația este recepționată.

Pentru a explica conținutul tabelului luăm ca exemplu informația "viteza automobilului". Acesta este trimisă de calculatorul sistemului de frânare (ABS) și este recepționată de calculatorul de injecție (ECM) și al cutiei de viteze automată (TCU).

Tabel 2.1

Fig.2.10 Conexiunea electrică clasică între calculatoarele unui automobile

Astfel pentru a putea împărții aceste informații intre cele trei calculatoare, pentru fiecare semnal, trebuie realizata o conexiune electrică. Acest mod de a comunica anumite informații prezintă numeroase dezavantaje, cum ar fi:

creșterea greutății totale a automobilului datorită numărului mare de cabluri și conectori electrici;

scăderea fiabilității automobilului datorită posibilității de defectare a unei conexiuni;

complexitatea crescută a cablajului automobilului, pentru fiecare noua informație trimisă/recepționată este nevoie de cabluri adiționale

Fig.2.11 Conexiunea electrică dintre calculatoarele unui automobil pentru protocolul CAN

Avantajele utilizării comunicației multiplexate sunt :

mai puțini senzori, cabluri și conectori;

reducerea greutății automobilului;

reducerea spațiului ocupat de partea electrică a automobilului;

creșterea fiabilității automobilului datorită reducerea numărului de componente care se pot defecta.

2.3.5 Comunicarea pe baza de cadre

În limbajul standardului CAN, toate mesajele sunt denumite cadre, cum ar fi cadre de date, cadre de eroare, etc. Informația trimisă către magistrala CAN trebuie să fie conformă cu un format al cadrului definit de standard.

Orice nod conectat la rețea poate transmite un nou cadru imediat ce magistrala este liberă. Consistența unui cadru trebuie confirmată simultan de toate nodurile din rețea.

CAN definește patru tipuri de cadre:

Cadru de date – Transferă date de la un nod către unul sau mai multe noduri

Cadru la distanță – Orice nod poate cere date de la un alt nod. Un cadru la distanță este imediat urmat de cadrul cu datele cerute.

Cadru de eroare – Orice nod care primește sau transmite poate semnala o eroare în orice moment al transmisiei unui cadru de date.

Cadru de supraîncărcare – Un nod poate cere o întârziere între două cadre de date.

Cadrul de date este compus din 7 câmpuri binare diferite:

START OF FRAME ARBITRATION FIELD

CONTROL FIELD

DATA FIELD (poate avea și lungime zero)

CRC FIELD

ACK FIELD

END OF FRAME

Fig.2.12 Cadru de date

START (SOF) = un singur bit dominant, 0

• IDENTIFICATORUL mesajului are lungimea de 11 biți. Acești biți sunt transmiși începând cu MSb (ID10). Cei mai semnificativi 7 biți (ID-10 – ID-4) trebuie să conțină cel puțin un bit dominant (să nu fie toți regresivi).

• Ultimul bit al câmpului de arbitrare este RTR (Remote Transmit Request). RTR bit poate specifica o cerere de transmisie la distanță.

• Într-un cadru de date bitul RTR trebuie să fie dominant (0 =scriere). Într-un cadru la distanță bitul RTR trebuie să fie regresiv (1=cerere de date)

Câmpul de control constă din 6 biți. Primii doi biți sunt rezervați pentru a indica fie formatul standard fie formatul extins. Pentru formatul standard cei doi biți rezervați trebuie să fie dominanți.

• Următorii patru biți codifică lungimea în număr de octeți a datelor (data length code).

• Codarea numărului de octeți se face conform tabelului următor, în care s-a notat cu d bit dominant și cu r bit recesiv.

2.3.6 Transmiterea mesajelor

Transmiterea mesajelor se bazează pe principiul producător-consumator. Nodul care transmite mesajul va fi producătorul iar toate celelalte noduri vor fi consumatorii. Toate nodurile într-o rețea CAN primesc același mesaj în același timp. Într-o rețea multi-master nodurile pot transmite date în orice moment. Fiecare nod ascultă și primesc toate mesajele transmise, dar protocolul CAN are și capabilități de filtrare a mesajelor.

Primirea mesajului nu este confirmată deoarece ar crește traficul pe rețea în mod inutil. CAN presupune că toate mesajele sunt conforme cu standardul definit iar dacă nu sunt va fi un răspuns din partea tuturor nodurilor din rețea. Toate nodurile care primesc verifică consistența cadrului și o confirmă. Dacă consistența nu este confirmată de toate nodurile din rețea, nodul care a transmis cadrul va transmite un mesaj de eroare pe magistrală.

Dacă unul sau mai multe noduri nu reușesc să decodeze un mesaj, datorită unei erori în mesaj sau unei defecțiuni a nodului, întreaga rețea este notificată. Nodurile care transmit date eronate sau care nu pot recepționa în mod constant mesajele se deconectează singure de la rețea astfel se continuă funcționarea normală rețelei.

Standardul CAN definește de asemenea cererea unei transmisii de la un nod printr-un cadru la distanță. Cadrul la distanță și cadrul de date cerut folosesc același identificator dar sunt diferențiate prin bitul RTR (Remote Transmission Request).

Prioritatea mesajelor

Transmisiile de date CAN sunt diferențiate printr-un identificator unic (de 11 sau 29 de biți), care reprezintă și prioritatea mesajului. Un identificator mai mic reprezintă o prioritate mai mare. Un nod CAN poate transmite și primi orice număr de mesaje, lucru care contribuie la o flexibilitate maximă. Mesajele cu prioritate mare vor fi transmise în cel mai scurt timp chiar dacă magistrala este încărcată de multe mesaje cu prioritate mai mică.

Transmisia mesajelor se face de obicei pe baza unui eveniment, ceea ce reduce încărcarea magistralei și asigură un timp mic de răspuns pentru aplicații în timp real.

CAN suportă mesaje cu lungimea cuprinsă între zero și opt octeți. Inițial acest lucru poate părea un dezavantaj comparat cu alte tehnologii, dar o lungime scăzută a mesajelor asigură o întârziere mică pentru mesajele cu prioritate mare. De asemenea acest lucru contribuie și la abilitatea de a rezista la interferențe electrice puternice.

Lungimea mesajelor

O lungime a mesajului de maxim opt octeți este suficientă pentru transmisia de date la vehicule și aparate mai mici cum ar fi aparate electrocasnice. Protocoalele de nivel înalt cum ar fi CANopen pot transmite de date de lungime nelimitată dar segmentat și sunt mai potrivite astfel pentru automatizări complexe cum ar fi controlul mișcării. Chiar și așa mesajele de 8 octeți cu prioritate mai mare pot întrerupe transferul de segmente de prioritate mai mică după transmiterea completă a unui segment. Segmentele de prioritate mai mică vor fi transmise în continuare după ce mesajul prioritar a fost transmis.

Frecvența mesajelor

O rată de transfer maximă de 1 MBit/sec poate nu pare mult, dar combinată cu faptul că mesajele sunt foarte scurte, evitarea eficientă a coliziunilor și detecția de erori fac CAN mult mai indicată pentru aplicațiile în timp real decât, spre exemplu, TCP/IP cu viteze de până la 100 de MBit/sec.

Numărul maxim de mesaje CAN pe secundă este de 8 771 (la un 1 MBit/sec, mesaje de opt octeți), până la 17 543 la un 1 MBit/sec și mesaje de un octet. Rezultă o un transfer de date de 17 543 până la 70 168 octeți pe secundă.

Arbitrarea mesajelor

Deoarece un sistem de comunicație serial cum ar fi CAN se bazează pe o conexiune de două fire între nodurile rețelei, adică toate nodurile sunt conectate fizic la aceeași magistrală, este necesară o metodă de evitare a coliziunilor dintre mesaje pentru a asigura un transfer sigur de date și pentru a se evita întârzierile datorate timpului de revenire la starea de funcționare a magistralei după o coliziune.

O coliziune poate apărea când două sau mai multe noduri din rețea încearcă să transmită în același timp, lucru care poate avea efecte nedorite ca întârzierea accesului la magistrală sau chiar distrugerea mesajelor.

CAN folosește un sistem de arbitrare non-destructiv, adică niciun mesaj nu este pierdut. Mesajele cu prioritate mai mare vor câștiga accesul la magistrală în timp ce restul mesajelor își așteaptă rândul.

La un transfer de 1 Mbit/sec și un identificator de 11 biți, procesul de arbitrare durează 12 microsecunde.

2.3.7 Detectarea erorilor și izolarea defectelor

Decât să primească un mesaj de confirmare pentru fiecare mesaj transmis, fapt care ar duce la o încărcare a magistralei, CAN presupune că toate mesajele trebuie să fie consistente cu standardul definit. Orice abatere de la acest standard este detectat și raportat imediat de celelalte noduri. Cu siguranță mesaje de eroare vor fi mai puține decât mesaje de confirmare.

Fiecare nod din rețea va primi mesajul. Un filtru de acceptare asigură faptul că nodul știe când să proceseze mesajul și când să îl ignore dar îl va verifica oricum pentru consistență. Toate nodurile confirmă consistența mesajului, iar dacă un singur nod face excepție emițătorul cadrului transmite un cadru de eroare.

Apariția unui cadru de eroare poate avea de fapt două cauze, cadrul de date a fost transmis eronat, sau, cadrul este corect dar un nod a raportat în mod fals o eroare datorată unei probleme locale de recepție.

Este important să se facă distincția dintre erori aleatoare și defectarea permanentă a unui nod. In acest sens CAN oferă două contoare de erori, unul pentru erorile de transmisie și unul pentru erorile de recepție. Dacă oricare contor depășește o anumită limită, nodul este considerat defect.

Ca parte din izolarea defectelor, protocolul CAN permite scoaterea unui nod din rețea în cazul în care acesta produce un șir constant de erori congestionând astfel inutil traficul pe magistrală.

Timpul de recuperare după o eroare este durata de transmisie a maxim 15 biți, adică 15 microsecunde la 1 Mbit/sec.

Error frame

• Error frame – este un cadru de eroare transmis când se detectează una din erorile definite de CAN:

– eroare CRC

– eroare de Acknowledge

– eroare de format (se recepționează un bit d în unul din segmentele:

End_of_Frame, Interframe_Space, Ack_delimiter și CRC_delimiter)

– eroare de bit (se transmite r și se citește d pe magistrală)

– eroare de umplere cu biți de sincronizare (Dacă între SOF și delimitator CRC apar 6 biți consecutivi de aceeași polaritate)

Un cadru de eroare poate fi generat de oricare nod care detectează o eroare pe magistrală

• Cadrul de eroare constă dintr-un câmp fanion de eroare urmat de un câmp delimitator de eroare cu 8 biți regresivi. Câmpul delimitator de eroare permite magistralei să revină la starea stabilă astfel încât să se poată relua transmisia cadrului de date.

2.3.8 Comunicarea CAN.Nivel fizic

Nivel fizic

O rețea CAN este compusă din mai multe noduri CAN, care sunt legate printr-un mediu de transmisie fizic (magistrala CAN). În practică, rețeaua CAN este de obicei bazată pe o topologie în linie, unde un număr de unități electronice sunt conectate la magistrală prin o interfață CAN. Topologia pasivă în stea poate fi folosită ca o alternativă. O pereche de fire torsadate neecranate este cel mai adesea folosită ca mediu fizic de transmisie. Acestea au în mod tipic o secțiune cuprinsă între 0.34 mm² și 0.6 mm². Rezistența liniei ar trebui să fie mai mică de 60 mΩ.

Rate maximă de transfer este de 1 Mbit/sec. O lungime de aproximativ 40 de metri a rețelei este permisă. La capetele rețelei se conectează două rezistoare terminale pentru a preveni fenomenele de tranziție. În ISO 11898 este specificat un număr maxim de 32 de noduri.

La nivelul fizic, mediul de comunicație a fost intenționat lăsat deoparte, la CAN (standard realizat prima oară la firma Bosh – Germania) pentru a permite proiectanților să adapteze și optimizeze protocolul de comunicație pentru diferite medii și pentru flexibilitate maximă

pereche de cabluri torsadate (cu ecran – STP, sau fără ecran UTP)

cablu singular

izolare optică

CAN bus a fost proiectat pentru a reduce cantitatea de fire cerute în rețeaua de senzori auto

• Fizic, mediul de transmisie pe cablu, constă în două fire torsadate pe care se transmite semnal diferențial. Este proiectată pentru medii ce lucrează uneori în condiții extreme și poate opera chiar dacă:

– un fir este întrerupt

– unul din fire este scurtcircuitat la masă

– unul din fire este scurtcircuitat la tensiunea de alimentare

– cele două fire sunt întrerupte în același loc. În acest caz cele două capete vor funcționa ca rețele separate.

Fig.2.13 Componente protocol CAN.Magistrala CAN si circuit integrat emisie-receptie

Rețeaua CAN

O rețea CAN este compusă din mai multe noduri CAN, care sunt legate printr-un mediu de transmisie fizic (magistrala CAN). În practică, rețeaua CAN este de obicei bazată pe o topologie în linie, unde un număr de unități electronice sunt conectate la magistrală prin o interfață CAN. Topologia pasivă în stea poate fi folosită ca o alternativă.

O pereche de fire torsadate neecranate este cel mai adesea folosită ca mediu fizic de transmisie. Acestea au în mod tipic o secțiune cuprinsă între 0.34 mm² și 0.6 mm². Rezistența liniei ar trebui să fie mai mică de 60 mΩ.

Rate maximă de transfer este de 1 Mbit/sec. O lungime de aproximativ 40 de metri a rețelei este permisă. La capetele rețelei se conectează două rezistoare terminale pentru a preveni fenomenele de tranziție. În ISO 11898 este specificat un număr maxim de 32 de noduri.

Fig.2.14 Reațea CAN

Lungimea maximă a magistralei poate să fie de 250 m (CAN HS) sau de 50 m (CAN LS). Numărul de calculatoare care pot fi conectate la magistrală variază în funcție de viteza și de numărul parametrilor ce trebuie transmiși. O rețea CAN poate suporta până la 50 de calculatoare interconectate. În capetele magistralei sunt prevăzute rezistențe electrice de aproximativ 120 Ω care au rolul de a crește impedanța rețelei, în scopul eliminării fenomenului de „reflexie” a semnalelor.

Fig.2.15 Exemplu de retea CAN

Nodul CAN

O dată cu creșterea numărului de dispozitive electronice din automobile, cantitatea și complexitatea programelor software crește și ea. Anumite vehicule de lux au deja peste 1000 de funcții software și peste 70 de ECU-uri care lucrează împreună. Un ECU conectat la o rețea CAN se numește nod CAN.

La începutul dezvoltării rețelelor ECU, implementarea interfeței CAN implica un simplu driver CAN împreună cu un transceiver CAN. Astăzi, datorită complexității software, acest lucru nu mai este posibil fără un sistem de operare, funcții de management al rețelei și de diagnostic. De aceea a apărut nevoia de standardizare a infrastructurii ECU. Astfel se reduce efortul de dezvoltare și simplifică întreținerea. Contribuie de asemenea la creșterea șanselor de reutilizare și interschimbare a componentelor între diferite platforme de vehicule.

Un ECU care vrea să facă parte din rețeaua CAN necesită o interfață CAN. Aceasta este compusă dintr-un controler CAN și un transceiver CAN. Controlerul CAN îndeplinește funcțiile de comunicare descrise de protocolul CAN iar transceiverul CAN conectează controlul la mediul fizic. De obicei cele două sunt izolate optic pentru ca supratensiunile care ar putea apărea să distrugă doar transceiverul, celelalte componente fiind protejate.

Fig.2.16 Nod CAN

Înainte, controlerul CAN era conectat la magistrală printr-un circuit discret, dar astăzi transceiverul se ocupă de conexiunea fizică. Acesta are întotdeauna doi pini: unul pentru CAN high și unul pentru CAN low.

Sunt două tipuri de transceiver, unul de mare viteză care suportă rate de transfer de până la 1 Mbit/sec, și unul de viteze de până la 125 kbit/sec. Totuși cel din urmă este tolerant la defecte (dacă una dintre linii cedează nu se pierde comunicarea). Figura 5 prezintă schema de bază a unui transceiver de mare viteză. Când ambii tranzistori sunt blocați, ambele linii au același potențial (0.5*Vcc), diferența de potențial dintre cele două fiind zero. Imediat ce ambii tranzistori conduc apare o diferență de potențial în funcție de cele două rezistențe. Conform ISO 11898-2 aceasta ar trebui să fie de 2 volți și un curent de aproximativ 35 de mA.

Fig.2.17 Schemă circuit integrat transimie-recepție.(Transceiver CAN)

Magistrala CAN

Transmisia fizică a semnalului într-o rețea CAN se bazează pe transmisia tensiunilor diferențiale. Astfel se elimină practic efectele negative a interferențelor electrice induse de motor și sistemul de aprindere. În consecință, mediul de transmisie e format din două linii: CAN high și CAN low. Torsadarea celor doua linii reduce considerabil efectul câmpului magnetic.

Datorită vitezei finite de propagare a semnalului, efectele fenomenelor de tranziție cresc o data cu lungimea și viteza magistralei. Terminând magistrala cu rezistori terminali previn astfel de fenomene. Parametrul cel mai important al rezistorului terminal este așa numita impedanță caracteristică a liniei, și are valoarea de 120 Ohm. Față de ISO 11898-2, în ISO 11898-3 (CAN de viteză mică) nu este specificat niciun rezistor terminal datorită vitezei maxime de doar 125 kbit/sec.

Diferența de tensiune dintre cele două linii depinde de interfața folosită, ele fiind diferite pentru CAN de viteză mare (ISO 11898-2) și CAN de viteză mică (ISO 11898-3). ISO 11898-2 atribuie „1” logic unei diferențe de tensiune de 0 volți și „0” logic pentru o diferență de tensiune de 2 volți.

Fig.2.18. Nivele logice CAN

O caracteristică importantă a rețelei CAN – în special pentru accesul la magistrală și indicarea erorilor – este distincția clară între nivelul dominant și nivelul recesiv. Nivelul dominant al magistralei corespunde cu „0” logic iar nivelul recesiv corespunde cu „1” logic.

Nivelul dominant suprapune nivelul recesiv. Când noduri diferite transmit un bit dominant și un bit recesiv simultan, magistrala ia nivelul dominant. Nivelul recesiv are loc doar când toate nodurile transmit biți recesivi. În termen de logică binară, acest comportament este al unui „și” logic. Fizic, acesta este implementat de un circuit cu colector deschis.

Aplicații în care siguranța este crucială, cum ar fi cele ale trenului motor al unui vehicul, cer o disponibilitate strictă a sistemului de comunicații și ar fi dezavantajos ca toată responsabilitatea pentru distribuirea accesului la magistrală sa fie transferată asupra unui singur nod. Nefuncționarea acestui nod ar duce la oprirea tuturor comunicațiilor. O soluție la această problemă este descentralizarea accesului la magistrală, astfel toate nodurile având dreptul de a accesa magistrala.

De aceea rețeaua CAN se bazează pe un combinație a arhitecturii multi-master și topologia în linie, astfel toate nodurile sunt autorizate să plaseze mesaje pe magistrală. Transmisia mesajelor CAN nu urmează o secvență predeterminată în timp, ci este bazată pe evenimente.

Canalul de comunicație este ocupat doar dacă este nevoie sa fie transmise informații noi. Acest lucru permite un acces foarte rapid la magistrală. În principiu, transmisia de date în timp real la nivel de milisecunde nu este o problemă pentru CAN datorită abilității de a reacționa rapid la evenimente asincrone și rate de transfer de date de până la 1 Mbit/s.

Selectarea mesajelor de către receptor previne dependența dintre noduri și crește astfel flexibilitatea de configurare. Orice mesaj CAN este disponibil pentru orice nod. Dar o condiție este ca fiecare mesaj să poată fi recunoscut printr-un identificator. Deși crește dimensiunea cadrelor, acest lucru permite integrarea de noduri adiționale fără modificarea rețelei.

Cadrele CAN

Pentru a transmite datele utilizatorului, ISO 11898-1 descrie așa numitul cadru de date. Un cadru de date poate transporta un maxim de opt octeți de informație. Pentru asta este utilizat câmpul de date, care este încadrat de multe alte câmpuri necesare executării comunicației CAN. Acestea includ adresa (identificatorul), lungimea codului de date (DLC), CRC și confirmarea de primire.

Fig.2.19 Cadru de date

În general ECU-ul care generează informația relevantă o transmite din proprie inițiativă, aceasta poate fi și cerută de către alte noduri printr-un cadru la distanță. Structura acestui cadru este identică cu cel al cadrului de date exceptând câmpul de date.

Un cadru de eroare este utilizat pentru a semnala erori în timpul comunicației. Un cadru de date eronat în curs de transmisie este oprit de un cadru de eroare. Structura cadrului de eroare diferă mult de cea a unui cadru de date. Acesta este format din doar două părți, error flag și delimitatorul de eroare.

Fig.2.20 Structură cadru de eroare

2.3.9 Beneficiile utilizarii protocolului CAN

Controller Area Network, ca orice sistem bazat pe o comunicație serială reduc cablajul iar controlul distribuit, adică folosirea unui sistem cu mai multe procesoare separate, cresc performanțele iar costurile deja mici al microcontrolerelor fac ca acest sistem să aibă costuri reduse. Alte avantaje sunt fiabilitatea crescută și întreținerea ușoară a sistemului.

Alt beneficiu major în aplicarea tehnologiei CAN devine aparent în timpul procesului de dezvoltare hardware și software. Două nivele, nivelul fizic și nivelul legătură de date, cum sunt definite în standardul ISO 11898, sunt deja implementate în silicon, sub forma unui controler CAN dedicat sau integrat în chip-ul unui microcontroler multifuncțional.

În sistemele CAN un nod CAN nu utilizează nici o informație despre configurația sistemului (de exemplu adresa stației). Acest lucru are consecințe importante privind:

• Flexibilitatea sistemului: pot fi adăugate noduri la rețeaua CAN fără necesitatea vreunei schimbări software sau hardware în cadrul nodului sau în cadrul nivelului de aplicație.

• Rutarea mesajelor: conținutul unui mesaj este personalizat printr-un identificator. Identificatorul nu indică destinația mesajului, dar descrie semnificația datelor, astfel încât toate nodurile rețelei sunt capabile să decidă prin „MESSAGE FILTERING” dacă datele le sunt destinate sau nu.

• Transmisie multiplă (Multicast): Ca o consecință a conceptului de MESSAGE FILTERING oricare nod poate recepționa și prelucra același mesaj.

• Consistența datelor: În cadrul rețelei CAN se garantează că un mesaj este acceptat simultan fie de toate nodurile fie de nici un nod. Consistența datelor sistemului se obține prin conceptual transmisiei multiple și prin administrarea erorilor.

Rezistența la erori

CAN poate funcționa în medii electrice foarte dificile păstrându-și capabilitățile de transmisie în timp real, acestea fiind date de timpii de arbitrare foarte scurți, de ordinul microsecundelor, și de lungimea limitată a cadrelor.

Fig.2.21 Tensiune electrică corectă pe o magistrala CAN

Fig.2.22 Tensiunea electrica incorecta in urma unei perturbari

Fiabilitatea și rezistența la erori a fost calculată după modelul matematic Residual Error Probability astfel:

1 bit eronat la fiecare 0.7 secunde

Viteză de transfer de 500 kBit/sec

Operare 8 ore/zi și 365 zile/an

În condițiile de mai sus va fi o singură eroare nedetectată în 1000 de ani (sursa CAN-in-Automation).

Se poate observa în imaginile de mai sus că de deși semnalul este perturbat, tensiunea de pe CAN HIGH si CAN LOW ajunge la receptor fară eroare de citire deoarece tensiunea ajunge ca diferența dintre cele două. Dacă de exemplu exista o influență electro-magnetică exterioară care aduce in sistem 5V, această tenisune suplimentară creste tensiunea electrică cu 5V cele doua tipuri de CAN (CAN_H si CAN_L). Diferenta de tensiune va fii aproape de transmiterea corectă si mesajul poate fii citit.

Măsurarea oscilatiilor din imaginile de mai sus au fost facută cu un software osciloscop numit PicoScope.Acesta are mai multe funcții,una din ele fiind un osciloscop ce poate fii utilizat pe un sistem de operare precum Windows.

Fig.2.23 Efecetele torsodarii magistralei CAN

2.3.10 Protocolul MOST

MOST Cooperation (MOSTCO) – organizația de standardizare pentru rețele multimedia auto MOST (Media Oriented Systems Transport) – prezintă un sistem avansat de asistență a șoferului (ADAS) bazat pe MOST 150, rețea care transmite date video HD de la opt camere, utilizând o lățime totală de bandă de până la 1,2 Gbit/s. Camerele de vizualizare surround sunt conectate la un nod central într-o topologie stea prin cablu coaxial. Abordarea MOST cu rețea multicanal, cu sincronicitatea sa inerentă, este adaptată perfect pentru ADAS, deoarece asigură un determinism de timp real și un timp de așteptare ultra-mic de 10 milisecunde; topologie flexibilă; lățime mare de bandă; elemente de siguranță, precum și robustețe și maturitate.

Aplicațiile multimedia de pe automobile (GPS, DVD, comenzi vocale, etc.) necesită protocoale dedicate atât din punct de vedere al vitezei de transport a datelor cât și din punct de vedere al suportului fizic. Protocolul MOST utilizează fibra optică pentru transportul datelor și este rezultatul colaborării dintre Audi, BMW, Daimler, s.a

MOST150 – Un controler de interfațare de rețea multi-port în nodul central alocă fiecărei ramuri o lățime de bandă completă. Ramuri diferite pot fi apoi construite cu orice topologie, inclusiv stea, inel, arbore sau lanț și pot fi conectate sau deconectate în timpul funcționării fără a influența fluxul de date din restul sistemului.

Fig2.23 Rețeaua MOST

Fig2.24 Cresterea exponentială a conecțiunilor dintre diferite aparaturi aflate pe automobil(radio,GPS,DVD player,etc)

Topologia stea MOST150 permite sisteme avansate de asistență pentru șoferi – (Copyright: MOST Cooperation) Fluxurile de date cu timpi de așteptare mici respectă cerințele de siguranță.

Trimiterea unui flux video de la cameră la sistemul de interpretare însemnă că o cantitate semnificativă de date este trimisă pentru o durată mare de timp. În special cu ADAS, fluxul continuu de date nu poate fi întrerupt sau întârziat. MOST furnizează transportul fluxurilor de date cu lățime de bandă garantată și timpul de așteptare pe care îl oferă arhitectura multiplex. Nu sunt necesare procesoare de comunicații suplimentare și informații de adresare, sau procese ce irosesc lățimea de bandă prin împărțirea datelor în pachete ce trebuie apoi examinate de câte ori trec prin dispozitiv. Conformându-se cu protocoalele de siguranță, MOST furnizează fluxuri video în sistem cu determinism de timp real și timp de așteptare redus

Fig.2.25 Modele cabluri pentru magistrala MOST

Fig.2.26 Structura cablu fibra optica

Capitolul III. Simularea în timp real.Simularea de tip HIL (Hardware in the loop)

În economie există o presiune puternică pentru reducerea timpilor de dezvoltare a noilor produse în condițiile realizării de produse inovative. Acest lucru este esențial într-o piață globală și se aplică în particular industriilor din categoria celor de “înaltă tehnologie”: auto, aerospațială, comunicații, etc. adică acolo unde unitatea electronică de control (ECU- electronic control unit) este o componentă vitală a fiecărui nou produs.

Proiectarea sistemelor mecatronice necesită o dezvoltare sistematică și utilizarea uneltelor moderne de proiectare. Funcție de tipul sistemului mecanic pot apare deosebiri asupra pașilor ce trebuie urmați. Pentru echipamentele de mecanică fină integrarea mecatronică trebuie realizată într-o măsură considerabilă. Influența electronicii în cazul unor elemente mecanice precum în domeniul auto: motorul, ABS, transmisie automată, suspensie etc. poate fi considerabilă.

3.1 Simularea în timp real

Simularea în timp real (Real-time simulation) se referă la un model computerizat al unui sistem fizic în care modelul funcționează la fel si in aceeasi perioadă de timp ca modelul fizic.

Proiectarea bazată pe model a componentei de control este o abordare ce reduce timpul și costurile permițând inginerilor lucrul cu un singur model al unei funcții sau a sistemului complet. Rezultatul acestui mod de lucru este obținerea unui sistem optimizat și testat complet, fără riscul ca unele componente individuale să nu funcționeze optim în sistem. Sistemul dSpace a adoptat proiectarea bazată pe model datorită multiplelor avantaje ce rezultă.

Motivul pentru care este necesară simularea în timp real este de cele mai multe ori faptul că cel puțin una din componentele sistemului nu este simulată ci este reală. Astfel putem distinge:

– Procesul real este controlat de un sistem de control simulat prin utilizarea unui alt hardware decât cel ce va fi utilizat în final. Această fază se numește „control prototyping”;

– Procesul simulat este executat în timp real împreună cu algoritmul simulat de control. Această etapă poate fi necesară dacă hardware-ul final nu este încă disponibil sau dacă se consideră necesară utilizarea acestui pas înainte de simularea de tip HIL;

Verificarea codurilor determină un comportament corect al modelului pentru producerea de coduri generatoare si coduri generate.Distribuția sarcinilor pendru crearea de coduri și verificarea lor permite pronirea cât mai devreme a procesului , concentrarea pe testare si un timp scurt pentru reyolvarea problemelor.Metode de testarea si validarea codurilor sunt:

Testarea modelului si simularea (Model in the loop)

Software in the loop

Processor in the loop

Harware in the loop

Model in the loop (MIL)

În acest tip de simulare se folosește un model de control ce lucrează cu un model al instalatiei (motor,automobil,etc).In acest tip de simulare, o specificație executabilă poate fi evaluata in simulare. Îm mod normal, aceasta se face prin schimbarea de parametrii simulați ai modelului sau semnale de ieșire și examinarea semnalelor de ieșire sau răspuns. Comportamentul software-ului din simulare trebuie să îndeplinească așteptările specificate în cerințe.

Testarea în care intrările modelului software sunt create cu ajutorul altor modele sunt denumite uneori ca "Model in the loop" testarea.Termenul "in the loop (în buclă)" provine de la sistemele de control, în care există un feedback între un controler încorporat și dispozitivul controlat.

Fig,3.1 Simulare de tip Model in the loop

Un model include si mediul controlerului, legături la cerințele de nivel superior, de vectori de test și rezultatele așteptate. Acest lucru devine o "specificație executabil". Rezultatele testelor “model de simulare” verifică dacă software-ul are un comportament corect și dacă validează cerințele folosite ca punct de plecare al procesului de dezvoltare. Informațiile adunate prin simulare devin referință pentru codul de verificare.

Software in the loop (SIL)

Software-ul in the loop testarea evaluează funcțiile de cod generate sau scrise de mașina gazdă. Ca și în MIL, vectori de test de intrare pot veni de la cerințele necesare sau din alte modele din caietul de sarcini. Testele SIL reutilizeată de obicei datele de testare și infrastructurile modelului utilizat pentru testarea modelului la simulare.

Acest tip de verificare este deosebit de utilă atunci când componentele software constau dintr-un amestec de cod generat (de exemplu, actualizări pentru a satisface noile cerințe) și codul scris in limbaj de programare (de exemplu, drivere existente și adaptoare de date) care pot fi necesare pentru executarea pe platforma țintă .

Testarea SIL este, de asemenea, utilizată pentru verificarea algoritmilor existenți, atunci când sunt refolosite în modele grafice. Modele și simulare sunt cadrului de testare pentru compararea rezultatelor de implementare a nolui model.

Fig.3.2 Simularea de tip Software in the loop

Processor in the loop (PIL)

În acest caz nu se rulează sistemul de coduri în simulare, ci se desfașoara la nivelul unui microprocesor. Acest test este conceput pentru a expune probleme cu executarea în mediul încorporat. Un bun punct de plecare pentru verificarea de cod obiect compilat pe platforma țintă este de a asigura echivalența funcțională de cod care rulează pe procesorul țintă față de comportamentul modelului capturat în simulare.

Conceptual, PIL este similar cu SIL. Cu PIL, testele sunt executate cu algoritmul încorporat elaborate și implementate pe placa procesor țintă și cu caietul de sarcini executabil.

Pe lângă testele de echivalență funcțională, PIL, de asemenea, ne permite să trecem prin instrucțiunile la nivel de asamblare din debugger și de a analiza codul compilat, legat și trimis, cum acesta va rula pe sistemul real. Cu PIL, putem revizui ordinea în care funcțiile de cod sunt executate, precum și verificarea apelurilor la funcțiile sistemului de operare sau a altor biblioteci necesare pentru executarea obiectivului. Amprenta de memorie poate fi, de asemenea, revizuită. În unele proiecte, PIL este o oportunitate de a compara comportamentul algoritmului pe procesoare care îndeplinesc aceleși specificații, dar care provin de la diferiți furnizori.

Fig.3.3 Simularea de tip Processor in the loop

Hardware in the loop

Acesta este un caz în care sistemul de control este complet instalată în sistemul de control final și poate interacționa cu sistemul doar prin intrarile si iesirile corespunzătoare ale controlerului. Sistemul se execută pe un computer în timp real, cu simulări de semnale de input/output pentru a păcăli controlerul să creadă că este instalat pe un sistem (ex.: automobil) real. În acest caz, singura diferență dintre cererea finală și a mediul HIL este fidelitatea modelului platformei și vectorii de testare pe care se folosesc. HIL este adesea utilizat doar pentru validare software și nu de dezvoltare ,pentru că aceasta este foarte lentă în acest tip de simulare. Cu toate acestea, testul este mai apropiat de aplicarea finală și expune majoritatea problemelor care pot fi intâlnite.

Fig.3.4 Simulare de tip Hardware in the loop

Fig.3.5 Rezultatele oferite de fiecare tip de simulare

Numele de „compilator” este folosit pentru un program care traduce dintr-un limbaj high-level într-unul low-level. Un compilator este un program (sau set de programe) care traduce textul unui program scris într-un limbaj de programare „sursă” într-un alt limbaj de calculator, numit limbaj „țintă”. Sursa originală se numește de obicei cod sursă iar rezultatul cod obiect.

Din tabelul de mai sus se poate observa că simulara de tip “Hardware in the loop” este cea mai completă aceasta lucrâd cu sistemul de control care este sau urmează a fi implementat pe autovehicul.Rezultatele acestui tip de simulare sunt obținute din semnale input/output reale, sistemul de control primind semnal de la o componentă fizică și trimite comenzi unor alte componente fizice.

3.2 Simularea de tip “Hardware in the loop”

Simularea de tip HIL constă în faptul că cel puțin una din componentele sistemului este reală și cel puțin una din componentele sistemului este simulată dar funcționează în timp real.

Uzual sistemul de control (soft+hard) este componenta reală, utilizată în producția de serie. Procesul controlat (actuatori, proces, senzori), poate cuprinde atât componente reale cât și componente simulate (vezi fig. alăturata). Se pot realiza și diverse combinații ale cazurilor arătate.

Uzual, unii dintre actuatori sunt reali iar procesul și senzorii sunt simulați. Motivul acestei abordări este faptul că de multe ori actuatorii și hardware-ul de control formează un sistem integrat sau că este dificilă modelarea precisă a funcționării actuatorilor sau că, în cazul simulării actuatorilor nu se respectă cerințele de timp real. Utilizarea senzorilor reali împreună cu procesul simulat poate necesita eforturi deosebite deoarece intrările fizice ale senzorilor nu există și ele trebuie generate artificial. Dacă se dorește schimbarea sau modificarea unor funcții ale componentelor hard și/sau soft ale sistemului de control, se poate utiliza un modul de bypass ce poate fi conectat la hardware-ul de bază. Simulatoarele HIL pot de asemenea conține funcții de control simulate (emulate) parțial.

Fig.3.6 a) Schema bloc a sistemului integrat conectat la un simulator hardware-in-the-loop; b) Componentele ale unui simplu simulator hardware-in-the-loop

3.2.1 Untilizarea simularii de tip HIL în industria auto

Sistemele integrate sunt concepute pentru a controla unități complexe, cum ar fi vehicule terestre, sateliți, nave spațiale, vehicule aeriene fără pilot (UAV-uri), avioane, sisteme de arme, vehicule marine, motoare cu reacție, și multe altele. Ele necesită, în general, un grad ridicat de complexitate în cadrul sistemului încorporat pentru a gestiona complexitatea unității sub control.

Procesul Hardware in the Loop exista doar de 15-20 de ani. Radacinile sale se gasesc in Industria Aeronautica. Motivul folosirii HIL-ului care devine tot mai necesar in toate industriile depinde de doi factori majori: complexitate si timp. Simularea HIL este o tehnica care este folosita in dezvoltarea si testarea sistemelor complexe de proces. Hardware in the Loop este o forma a simularii in timp real. Ea difera de simularea in timp real prin adaugarea unei componente reale in bucla inchisa. Aceasta componeta poate fi un “Electronic Control Unit” (ECU).

Fig.3.7 Testare ECU pe HIL

Scopul principal al simularii HIL este de a testa componenta hardware pe un simulator inainte de a o implementa intru-un proces real.

Matricea de dezvoltare si eficienta de testare este de obicei o formula care include următorii factori:

Cost

Durata

Siguranta

Daca modelul matematic folosit in simulare este o reprezentare de acuratete a procesului real, vom putea chiar sa tunam parametrii ECU-ului folosind simulatorul.

Este de asemenea foarte folosit in scopul antrenarii; operatorul procesului poate invata despre functionarea sistemului folosind simularea HIL.

Alt beneficiu al HIL il reprezinta faptul ca testele se pot desfasura fara a deteriora echipamentul sau a pune in pericol viata. De exemplu, potentialele conditii de defectare ale motorului, cum ar fi temperatura ridicata, pot fi simulate pentru a testa daca ECU detecteaza si reporteaza aceste defectiuni. Alt exemplu il reprezinta simularea ABS. Performantele ABS pot fi evaluate fara a pune in pericol deteriorarea vehicului sau viata.

Fig.3.7 Testarea si simularea HIL

3.2.2 Funcționarea simulării de tip HIL

Hardware-in-the-loop este o tehnica care este folosit tot mai mult în dezvoltarea și testarea sistemelor complexe în timp real încorporat. Scopul simulării HIL este de a oferi o platformă eficientă pentru dezvoltarea și testarea sistemelor integrate în timp real. Simulare HIL adaugă complexitatea unitații sub control a platformei de testare.Complexitatea unității sub control este inclus în testare și dezvoltare prin adăugarea unei reprezentare matematică a tuturor sistemelor dinamice aferente. Aceste reprezentări matematice sunt denumite în continuare "simulare a unitații."

Simularea HIL este o parte integrantă a procesului de dezvoltare a vehiculului și este critică pentru a verifica comportamentul corect de funcții distribuite, sisteme integrate și de comunicații între unitățile de control electronic (ECU).

Avansarea masivă a software-ului în complexitate și dimensiune, face ca testele complete pentru ECU să fie necesare mai mult decât oricând înainte. Doar folosind o politică care accept un număr de erori egal zero, poate ajuta la evitarea campaniei de rechemare a autovehiculelor inapoi la “bază”. Deci, pentru multi producatori si furnizori, testarea ECU a devenit o etapă cheie în procesul de dezvoltare. Cu toate acestea, drive-uri de testare reale sunt scumpe. Testele au de multe ori loc în condiții de temperatura extreme pentru testarea ECU-ului Trebuie, de asemenea, să se confrunte cu faptul ca prototipul de vehicul nu va fi gata la timp, o astfel de testare fiind întârziată. Inginerie simultană, în care procesele de dezvoltare rolează în paralel, poate fi dificil de realizat. Acestea sunt doar câteva dintre problemele inerente în unități de testare reale. Nu numai ca sunt drive-urile însele dependente de vreme și pe prototipuri de vehicule; ingineri de test se confruntă cu un pericol fizic real și trebuie să facă față cu rezultatele testelor incomplete – nu mai vorbim de costurile imense în termeni de timp și bani. Soluția este testare drive-uri virtuale într-un mediu de simulare hardware-in-the-loop.

Aproape toți producătorii de automobile și furnizorii lor actuali, folosesc simulare hardware-in-the-loop. În loc de a fi conectat la un vehicul real pentru testare, ECU-urile sunt conectate la un simulator. Test drive-uri virtuale pot fi făcute cu mult înainte ca primul prototip de vehicul să fie disponibil, care au ca rezultat economii enorme în materie de costuri și timp. Mai mult decât atât, un simulator poate să faca fața unei testări ce depășește constrângerile testării pe autovehicul, iar testele sunt reproductibile și automate. Un vehicul real este apoi utilizat pentru testarea finală.

Fig.3.8 Reprezentarea parții de “hardware” si de “în buclă”

Test drive-uri virtuale sunt o sarcină imensă pentru un simulator, care trebuie să se ocupe de un model de sistem complex, cum ar fi motorul sau chiar a intregului vehicul. Capacitate de a simula în timp real este obligatorie. Semnalele de senzori care au nevoie de generatoare sunt incredibil de complexe, și simularea lor este o altă provocare majoră.

O simulare HIL trebuie să includă, de asemenea, emulare electrică de senzori și actuatori. Aceste emulatii electrice acționează ca interfață între simularea componentelor și sistemul încorporat testat. Valoarea fiecărui senzor emulat electric este controlat de simulare a componentelor și este citit de sistemul încorporat testat. De asemenea, sistemul integrat de testat implementează algoritmi de control prin afișarea de semnale de control de acționare. Modificări în semnalele de control duce la modificări ale valorilor variabile în simularea de plante.Scopul HIL este de a oferi o platforma efectiva pentru dezvoltarea si testarea sistemelor integrate „real-time”, de multe ori in paralel cu dezvoltarea hardware. Dezvoltarea software nu trebuie sa mai astepte dupa o unitate fizica pentru a scrie si a testa codul.

Bancuril Hil sunt utilizate la nivelul fiacarui producator auto in jurul de 70% din capacitatea lor. 20% din timp, simulatorul este folosit pentru a incarca noi configuratii ce trebuie testate, iar 10% se pierde pe analiza erorilor detectate in timpul simularii. Un test tipic contine 10 pana la 15 operatori de intrare, ale caror secvente si timming variaza.

Erorile care apar in timpul simularii sunt de obicei erori de implementare. Des, vehiculul produce indicatii a posibilelor erori, care pot fi analizate pe un simulator HIL. Dar folosirea HIL a aratat faptul ca mult mai multe erori sunt descoperite in timpul simularii, erori care altfel nu ar fi putut fi gasite din cauza testelor nerepetitive.

Eroarea închiderii centralizate prezentate mai devreme, probabil nu ar fi fost descoperita fara testele pe HIL. Secventa rapida de inchidere/deschidere are loc rar in testele manuale, si eroare ar fi fost interpretata ca si o eroare din cauza depasirii distantei undei. Dar cand sute de mii de clienti folosesc vehicului, acest caz s-ar fi intamplat frecvent ducand la plangeri masive si chiar la scaderea vanzarilor. Deși la inceput simulatoarele HIL au fost implementate doar pentru testarea rețelei ECU, utilitatea lor în testarea funcționarii ECU-ului și a subsistemelor, a devenit de asemenea evidentă.

3.2.3 Echipamentul folosit în simularea HIL

Echipament HIL

Simulatorul complet de la dSPACE numit și “banc HIL” sau “test bench” reprezintă parte de “loop” din simulare deoarece el imită un motor cu toate reprezentările lui electrice sau electronice și păcăleste partea de hardware din simulare (ECU) în a crede ca el primește si raspunde la semnalele primite de la un autovehicul real.Simulatorul modular dSPACE are următoarele caracteristici:

Sisteme HIL adaptate după proiecte

Nici o limită în ceea ce privește gama de aplicare

Folosit pentru testarea complexa a unui ECU până la testarea unor rețele de ECU de mari dimensiuni , în orice fel de domeniu de aplicare

Conceptul hardware flexibil și deschis

Ușor extensibil prin orice bord dSPACE input/output

Rezistent la curent electric mare (Transmisii hibride)

Fig.3.9 Simulatore dSPACE(Mid-size și Full-size)

Un astfel de “test bench” conține tot ce inseamna model matematic și hardware pentru a imita un autovehicul mai exact motorul în condiții diferite de rulare.Este echipat cu procesoare performate pentru viteza mare de calcul și conecțiune cu transfer de informații rapidă. Dispune de baterii,breakout box și diferiți conectori unde se cuplează ECU-ul sau alte interfete de testare și monitorizare pentru specialist( user interface).

Cerințele hardware pentru aplicatii hardware-in-the-loop pot varia foarte mult. Prin urmare, dSPACE Simulator vine în mai multe tipuri, care pot fi puse împreună pentru a se potrivi sarcini specifice. De exemplu, testele de funcționare pot fi executate cu dSPACE Simulator Mid-Size, în timp ce adaptările la ECU sunt cel mai adesea făcute din cablaj(harness) . În schimb, testele de acceptare cer hardware de simulare modular si expandabil ca Simulatorul dSPACE Full-Size, care prevede modificarea de input/output și putere de procesare.

Fig.3.10 Componente HIL bench

Puterea HIL bench-ului se bazează pe interacțiunea dintre o varietate de componente. Input/output ale ECU-ului și echipamentul de măsurare extern se realizează prin intermediul cardurilor plug-in flexibile. Aceasta configuratie permite modificări de sistem adaptat cerintelor clientului.Breakout Box cu conectori robuști oferă utilizatorului opțiunea de by+pass și / sau optiuni de rutare pentru până la 300 de semnale ECU.

Reprezentativitatea electrică (Loadrack )

Load rack-urile (Load-box) sunt alcătuite din două terminale cu mai multe intrări, fiecare. Conexiunea componentelor în rack se face în conformitate cu o foaie de caiet de sarcini. Acest document precizează care element este simulat, cum este simulat, și modul în care acesta este conectat la rack. Aceeași componentă poate avea până la 10 valori de sarcină diferite, în funcție de proiect. Un total de 125 de componente diferite sunt simulate în rack-uri.

Când majoritatea componentelor sunt simulate de rezistențe, bobine sau condensatoare, unele sunt de fapt prezente în rack. În cazul în care componenta este mica și simplu, ca un LED sau un releu, nu contează cu adevărat, dar în unele cazuri poate fi la fel de mare si de complex ca un injector sau o acceleratie.

Fig.3.11 Exemplu de rack de incărcare cu reprezentabilitate electrică formată din componente reale și rezistențe

Loadrack-ul este construit să fie ușor accesibil si adaptabil.Alte aparate sau adaptări sunt folosite ca echipament HIL pentru a obține teste fiabile,adaptabile și ușor de modificat.

Pentru validare,verificare și calibrare se folosesc module și interfețe care fac posibila monitorizarea paramentrilor din test și modificarea lor fie din ECU ca semnale de ieșire ,fie din sistem (model) ca parametri de intrare.

3.2.4 Programe folosite în simularea de tip HIL

Matlab-Simulink

Crearea, analiza și simularea modelelor pe baza diagramelor bloc sunt operații sofisticate ce pot fi soluționate convenabil cu Matlab-Simulink, pe baza unei biblioteci largi și puternice, extinsă cu blocuri specifice dSpace de intrare/ieșire. Însă oferirea unui suport suplimentar în proiectare, a unei unelte ce permite realizarea sarcinilor de control, monitorizare, simulare și realizarea experimentelor în timp real în mod interactiv constituie un avantaj semnificativ.

Fig.3.12 Modelarea unui motor in Simulink

Simulink Real-Time ™ permite să creezi aplicații în timp real, de la modele Simulink ® și sa le ruleze pe hardware dedicat calculator țintă conectat la sistemul fizic. Aceasta suportă simularea și testare în timp real, inclusiv “rapid control prototyping” , DSP și simulare hardware-in-the-loop (HIL) .

Cu Simulink Real-Time, se poate extinde modelul Simulink cu coduri, ce pot genera automat aplicații în timp real, să definească instrumente, și efectuarea de rulari interactive sau automate de pe un calculator dedicat ,echipat cu un nucleu în timp real, multi core CPU,cu intefețe protocol de inpu/output.

Fig.3.13 Model Simulink de dublu ambreaj

Fig.3.14 Interacțiunea interfață grafica (PC) – Sistem integrat (Unitate de control)

Matlab Simulink este un limbaj de nivel mediu și înalt interactiv de MathWorks care este popular printre designeri de sistem și algoritm. Acesta poate fi utilizat într-o varietate largă de aplicații și teme de cercetare. Pentru a acomoda dezvoltatorii a fost nevoie de o interfață a proiectelor cu Altera FPGA (Field Programmable Gate Array), Altera a creat un API(application programming interface) care poate fi adus din mediul MATLAB pentru a trimite și primi date către sau de la un FPGA. API-ul este un simplu set de comenzi care permite interacțiunea în timp real cu FPGA-ul de design care rulează pe platforma țintă.

Fig.3.15 Limbaj de programare MatLab

API MATLAB poate fi utilizat în mai multe sarcini în timpul proiectarii, evaluare și verificarea modelelor. Acesta poate fi folosit pentru a configura și regla un parametru de proiectare FPGA în rulare similară cu reglaj de date și modificarea parametrilor de filtrare. Se poate folosi pentru a monitoriza diferite stări de citire a registrelor specifice in timpul rulării.Capacitatea poate fi exploatată cel mai bine in simularea de tip HIL.Ea permite generarea de seturi de date complexe de pe PC-ul gazda și transferarea lor in FPGA-ul ținta in timp real.Acest lucru e convenabil deoarece rareori este posibilă crearea unui sistem flexibil și sofisitcat pe o platformă ținta cu un efort minim de programare.

Control desk

Control desk Next Generation este un soft universal dSPACE pentru teste, pentru tot procesul de dezvoltare si validare a unitatilor de control electronic (ECU). Acest soft ne permite sa lucram intr un mod omogen, reducand costurile de achizitie si mentenanta si evitand erorile datorita cuplarii mai multor softuri.

Versiunea 5 a acestui soft a fost complet remodelata incluzand o noua arhitectura si noi interfete de lucru precum Microsoft Office , Matlab si alte softuri. Control Desk Next Generation se refera la prototipul de control rapid , la simularea hardware in bucla, validare virtuala , accesul la magistrala bus a sistemului, calibrarea ECU si diagnoza si multe altele.

Fig.3.16 Interfața Control desk

De altfel exista module de configurare in Control Desk specifice pentru nevoile noastre. Are numeroase optiuni pentru a crea layout-uri simpu si flexibil de utilizat.

Pentru a accesa interfata BUS a sistemului ca de exemplu CAN, LIN sau Flex Ray , putem integra interfata BUS la bancul de testare HIL printr-o platforma prototip de control rapid si de asemenea interfara BUS a PC-ului.

INCA și MDA de la ETAS

Software-INCA de la ETAS,oferă instrumente flexibile pentru calibrarea, diagnosticarea și validarea sistemelor electronice auto.

Instrumentele INCA sunt utilizate pentru dezvoltarea ECU-ului și testare, precum și pentru validare și calibrare a sistemelor controlate electronic în vehicul, pe standul de testare, sau într-un mediu virtual pe PC. Instrumentele sunt utilizate în întreaga lume în peste 20.000 de instalații în proiecte de dezvoltare și de producție. Instrumentele ofera o mare varietate de funcții, inclusiv precalibrare de modele funcționale de pe PC, programare ECU, analiza datelor de măsurare, de gestionare a datelor de calibrare și optimizarea automată a parametrilor ECU. Datele de calibrare și de măsurare generate pot fi procesate și evaluate în mod continuu.

O bază de date integrată permite reutilizarea rapidă și ușoară pentru construirea configuraților și experimentelor unor noi proiecte de ECU. Folosind interfețe deschise, INCA pot fi automatizată și integrată pe bancul de testare, sistemul de testare hardware-in-the-loop sau alte medii.

Fig.3.17 Parametrii monitorizați in INCA

MDA (Măsura Data Analyzer) este utilizat pentru vizualizarea și analiza datelor de măsurare , furnizate în MDF(Media Descriptor File) sau format ASCII (Codul Standard American pentru Schimbul de Informații). Pentru aceste scopuri MDA oferă o grafică (YT-și XY-osciloscop), un tabel și o vedere de statistică.

Utilizatorul poate personaliza aspectul și conținutul acestor vizualizari. MDA oferă multe funcții utile, cum ar fi zoom, derulare, sincronizarea punctelor de vedere diferite, sau în căutare de evenimente specifice. Pentru scopuri speciale, MDA oferă o interfață pentru definire, a calculare, vizualizare și analizare a semnalelor, evenimentelor și de biți.

În scopuri de documentare și de prezentare, vizualizările pot fi tipărite în funcție de template-urile definite de utilizator și măsurare fișierelor de date pot fi exportate în format ASCII sau MDF.

Fig.3.18 Analiza unor date de ieșire in urma unei simulări cu MDA

CANalzyer

CANalyzer este un instrument software de analiză de la Vector Informatik GmbH. Acest software de dezvoltare este utilizat pe scară largă, în primul rând, de furnizorii de unitați de control electronice pentru automobile pentru a analiza traficul de date din sisteme de magistrala de serie. Sistemele de magistrala cele mai relevante aici sunt CAN, LIN, FlexRay, Ethernet și MOST , precum și protocoale bazate pe CAN, cum ar fi J1939, CANopen, ARINC 825 și multe altele. CANalyzer Tool este un analizator (monitor) de magistrală CAN simplu de utilizat și low-cost. monitor care poate fi utilizat pentru dezvoltarea și depanarea unei rețea CAN de mare viteză. Instrumentul dispune de o gamă largă de funcții care îi permit să fie utilizate în diverse segmente de piețe, inclusiv cea de automobile, navală, industrială și medicală.

CANalyzer poate sprijinii și ISO 11898-2 (CAN de mare viteză cu rate de transfer de până la 1 Mbit / s). Instrumentul poate fi conectat la rețeaua CAN folosind conectorul DB9 . Toate aceste caracteristici fac din el un instrument foarte versatil, care permite depanarea rapid și simpla în orice rețea CAN de mare viteză.

Fig.3.19 Conector DB9

Fig.3.20 Analizare trame CAN folosit CANalzyer

3.5 Avantajele simulari Hardware in the loop

Bancuril Hil sunt utilizate la nivelul fiacărui producator auto in jurul de 70% din capacitatea lor. 20% din timp, simulatorul este folosit pentru a încărca noi configurații ce trebuie testate, iar 10% se pierde pe analiza erorilor detectate in timpul simularii.

Un test tipic conține 10 pana la 15 operatori de intrare, ale căror secvente si timming variaza. Desi la inceput simulatoarele HIL au fost implementate doar pentru testarea retelei ECU, utilitatea lor in testarea functionarii ECU si a subsistemelor, a devenit de asemenea evidenta.

Erorile care apar în timpul simulării sunt de obicei erori de implementare. Des, vehiculul produce indicații a posibilelor erori, care pot fi analizate pe un simulator HIL. Dar folosirea HIL a arătat faptul că mult mai multe erori sunt descoperite în timpul simulării, erori care altfel nu ar fi gasite din cauza testelor nerepetitive.

În multe cazuri, cel mai eficient mod de a dezvolta un sistem integrat este de a conecta sistemul încorporat pentru sistemul real. În alte cazuri, simulara HIL este mai eficient.Metrica de dezvoltare și eficiența de testare este de obicei o formulă care include următorii factori: cost,durata,siguranță.

Costul de abordare va fi o măsură a costului de instrumentare și efort. Durata de dezvoltare și de testare afectează timpul până la comercializare pentru un produs planificat. Factorul de siguranță și durata sunt de obicei echivalate în cost. Condiții specifice care justifică utilizarea simularea HIL includ următoarele:

Programe de dezvoltare rapidă

Fabrica la nivel industrial

Procesul timpuriu de dezvoltare in care sunt incluși factorii umani

Capitolul IV : Calculul termic,dinamic și organologic al unui motor cu aprindere prin comprimare

4.1 Alegerea parametrilor inițiali de calcul

Alegerea parametrilor inițiali de calcul se face în funcție de caracteristicile tehnice ale motorului de referință și de proprietățile fizico-chimice ale combustibilului utilizat. O parte însemnată din parametrii inițiali de calcul nu este indicată însă în documentația tehnică a motorului. De aceea , în funcție de caracteristicile de bază ale motorului (număr de timpi, turație, tipul admisiei etc.), acești parametri se adoptă în funcție de valorile experimentale indicate în literatura de specialitate.

Parametrii inițiali ai calcului termic sunt:

Puterea efectivă

Numărul de timpi

Turația

Numărul de cilindrii

Compoziția procentuală a combustibilului

Carbon

Hidrogen

Oxigen

Puterea calorică inferioară a combustibilului

Presiunea mediului ambiant

Presiunea de supraalimentare motorului cu aprindere prin comprimare:

Temperatura mediului ambiant

Temperatura mediului ambiant diferă în funcție de condițiile de exploatare pentru care este construit motorul.

Presiunea de evacuare

În conformitate cu documentația de specialitate:

Coeficientul de scădere a presiunii de admisie

Datorită rezistențelor gazodinamice ale sistemului de admisie, presiunea fluidului proaspăt la intrarea în admisie este mai mică decât cea inițială. Raportul dintre cele două reprezintă coeficientul de scădere al presiunii de admisie:

Temperatura gazelor arse reziduale

Temperatura gazelor arse reziduale Tr depinde de urmãtorii factori: raportul de comprimare, sarcina și turația motorului. Cu cât este mai mare, cu atât gradul de destindere a gazelor va fi mai mare, ceea ce conduce la reducerea temperaturii Tr. Creșterea sarcinii și turației provoacã mãrirea temperaturii pereților cilindrului, ceea ce conduce la mãrirea temperaturii Tr. Temperatura gazelor arse reziduale, pentru calculele preliminare, se poate considera

Încălzirea aerului in contact cu motorul

Preîncãlzirea aerului T depinde de sarcinã, de turație și de condițiile de rãcire ale motorului, luând valori cuprinse în domeniul:

Răcirea intermediară a aerului de supraalimentare

Coeficientul de exces de aer

Pentru asigurarea unei arderi de bunã calitate a combustibilului, aceasta se realizează cu o cantitate de aer superioară celei necesare arderii complete (stoichiometrice). Raportul dintre cantitatea reală de aer L, care revine unui kilogram de combustibil, și cantitatea teoretic necesarã Lt se numește coeficient de exces de aer:

Coeficientul gazelor arse reziduale

În momentul închiderii organelor de evacuare, în cilindru mai rãmân gaze de ardere provenite din ciclul precedent, numite gaze arse reziduale. Raportul dintre cantitatea acestora și cantitatea de aer introdusã în cilindru se numește coeficient al gazelor arse reziduale:

Coeficienții de utilizare a căldurii

Se utilizează noțiunea de coeficient de utilizare a căldurii , care reprezintă raportul dintre cantitatea de căldură utilizată pentru producerea de lucru mecanic exterior și pentru mărirea energiei interne a fluidului motor și cantitatea totală de căldură degajată prin arderea combustibilului:

Pentru arderea izocoră:

Pentru arderea izobară,:

Coeficientul de rotunjire a diagramei indicate

Raportul dintre aria diagramei indicate reale Lir și cea a diagramei indicate teoretice Lit se numește coeficient de rotunjire a diagramei indicate:

Randamentul mecanic

Gradul de perfecțiune a proceselor mecanice din motor este caracterizat prin randamentul mecanic m. El reprezintă raportul dintre lucrul mecanic efectiv Le și cel indicat Li, măsurate la același regim de funcționare al motorului:

Raportul de comprimare

Raportul dintre volumul maxim al camerei de ardere Va (corespunzãtor poziției pme a pistonului) și volumul minim al acesteia Vc (corespunzãtor poziției pmi) se numește raport de comprimare:

Raportul dintre raza manivelei si lungimea bielei

Comportamentul cinematic al mecanismului motor este determinat și de raportul dintre raza manivelei R și lungimea bielei L, cunoscut sub denumirea de coeficient de compactitate:

Raportul cursă/alezaj

Raportul dintre cursa pistonului S și diametrul cilindrului (alezajul) D caracterizeazã construcția generalã a motorului. În funcție de valoarea raportului cursã/alezaj:

Unghiul de avans la scânteie/injecție

Unghiul de corecție al duratei arderii

Unghiul corespunzãtor duratei totale a arderii poate fi considerat ca sumã algebricã a unghiului de avans la injecție , a unghiului corespunzãtor întârzierii la autoaprindere a combustibilului v și a așa-numitului unghi de corecție a duratei arderii :

Randamentul politropic al comprimării în suflantă

4.2. Calculul procesului de admisie

Procesul de admisie, la un motor cu ardere internă, presupune introducerea în cilindru a unei cantități de aer și a unei doze de combustibil, în proporții adecvate regimului de funcționare al motorului, care vor forma amestecul proaspăt.

Cantitatea de oxigen necesară arderii complete a combustibilului

Cantitatea de aer necesară arderii complete a combustibilului

Cantitatea reală de aer necesară arderii complete a combustibilului

Cantitatea de gaze rezultate din arderea combustibilului

Bioxid de carbon

Vapori de apă

Oxigen

Azot

Cantitatea totală

Cantitatea de gaze arse reziduale

Bioxid de carbon

Vapori de apă

Oxigen

Azot

Cantitatea totală

Masa fluidului motor la sfârșitul admisiei

Tabel 4.1. Masele gazelor de ardere

Constanta caracteristică a fluidului motor la sfârsitul admisiei

Temperatura aerului la ieșirea din cilindru

Unde:

Entalpia fluidului motor la sfârșitul admisiei

Temperatura fluidului motor la sfârșitul admisiei

Pe baza temperaturilor componente:

Presiunea de admisie a fluidului proaspăt

Volumul fluidului motor la sfârșitul admisiei

Coeficientul de umplere

4.3 Calculul procesului de comprimare

Procesul de comprimare se realizează prin deplasarea pistonului din pme spre pmi. Începutul comprimării se realizează efectiv în momentul închiderii supapelor de admisie (la motoarele în 4 timpi) .Deoarece pentru desfășurarea arderii este necesar un anumit interval de timp, se impune ca procesul de ardere să înceapă înainte de pmi. Prin urmare, injecția combustibilului se produce cu un anumit avans față de pmi. Fenomenele specifice arderii fiind însă dominante, această porțiune se include în procesul de ardere, astfel încât procesul de comprimare se consideră încheiat în punctul i(s). Prin urmare, durata reală a procesului de comprimare este mai mică decât cea corespunzătoare cursei pistonului din pme în pmi, așa cum este considerată în cadrul ciclului teoretic de funcționare.

Figura 4.1 Evoluția presiunii la comprimare

Procesul de comprimare are următoarele patru implicații asupra funcționării motorului :

– sporește randamentul termic prin comprimarea prealabilă a fluidului motor datorită măririi diferenței de temperaturi între care se desfășoară ciclul motor ;

– realizează un grad de expansiune ridicat. Cu cât va fi mai mare, cu atât va fi mai mare gradul de expansiune , mărindu-se astfel suprafața diagramei indicate ;

– asigură într-o mare măsură aprinderea combustibilului în contact cu aerul cald si arderea fluidului în condiții optime. În timpul acestui proces se intensifică mișcarea organizată a aerului creându-se condiții favorabile pentru formarea ulterioară a amestecului si arderii.

Coeficienții căldurii specifice medii molare a fluidului motor

Tabel 4.2. coeficienții căldurii specifice medii molare

Tabel 4.3 Mediul politropic al comprimarii

Ecuația de determinare a exponentului mediu politropic al comprimării

Se consideră:

Valoarea exponentului mediu politropic al comprimării pentru care diferența între cei doi membrii ai ecuației să fie cât mai mică posibil , adică:

Presiunea fluidului motor la sfârșitul comprimării

Temperatura fluidului motor la sfârșitul comprimării

Volumul fluidului motor la sfârșitul comprimării

4.4. Calculul procesului de ardere

Dintre toate procesele termodinamice ale ciclului de funcționare, procesul de ardere are cel mai înalt grad de complexitate. Indicii energetici ai motorului, cei de economicitate și de durabilitate, de funcționare liniștită și de adaptabilitate la sarcină depind într-o măsură largă, uneori hotărâtoare, de modul de desfășurare a procesului de ardere a combustibilului.

Procesul de ardere poate fi studiat atât sub aspect termodinamic, cât și cinetic. Prin analiza termodinamică se obțin informații asupra stărilor inițială și finală ale transformării, se constată dacă arderea este sau nu posibilă, se specifică sensul în care va decurge procesul și se determină condițiile de presiune, temperatură și concentrație în care arderea încetează. Prin studiul cinetic, se poate cunoaște dacă reacția posibilă se va produce în realitate, se determină viteza de desfășurare a reacțiilor de ardere, se descifrează mecanismul intern al reacțiilor, se evidențiază etapele intermediare și se lămurește semnificația fizică a fenomenelor care se produc pe parcursul arderii. Studiul procesului de ardere permite stabilirea evoluției parametrilor fluidului motor și precizarea modului în care se poate acționa pentru ca motorul să realizeze parametrii scontați.

Figura 4.2. Arderea in MAC

Spre final, după ce injecția de combustibil s-a încheiat,arderea continuă într-o manieră moderată, atât aerul cât și oxigenul consumându-se complet. Cea de-a treia perioadă,ca și cea anterioară este caracterizată prin ardere difuză producere de particule de carbon (funingine) și intensificare a transferului radiant de căldură.

În cadrul calculului termic se consideră că procesul de ardere se desfășoară inițial izocor și apoi izobar. În cadrul arderii izocore se consideră convențional că este arsă cantitatea de combustibil injectată în cilindru pe durata de întârziere la autoaprindere, injecția decurgând după o lege liniară.

4.4.1 Calculul procesului de arderea izocoră

Volumul fluidului motor în momentul declanșării injecției

Presiunea fluidului motor în momentul declanșării injecției

Temperatura fluidului motor în momentul declanșării injecției

Întârzierea la autoaprindere

= 0,001 s

Unghiul de rotație corespunzător întârzierii la autoaprindere

Unghiul de rotație corespunzător duratei totale a arderii

Cantitățile de gaze rezultate din arderea izocoră a combustibilului

– bioxid de carbon :

– vapori de apă:

– oxigen:

– azot:

– cantitatea totală:

Cantitățile de gaze arse la sfârșitul arderii izocore

– bioxid de carbon:

– vapori de apă:

– oxigen:

– azot:

– cantitatea totală

Masa fluidului motor la sfârșitul arderii

Constanta caracteristică fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Energia internă a fluidului motor la sfârșitul comprimării

Energia internă a fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Temperatura fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Volumul fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Presiunea fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Raportul de creștere a presiunii

4.4.2 Calculul procesului de ardere izobară

În cadrul celei de-a doua faze a arderii – arderea izobară – este arsă cantitatea de combustibil. Prin urmare , la sfârșitul procesului, întreaga cantitate de combustibil este arsă, astfel încât în compoziția fluidului motor intră cantitațile de gaze rezultate în urma arderii si cele de gaze arse reziduale. Arderea izobară produce creșterea entalpiei fluidului motor.

Cantitatea de combustibil arsă la presiune constantă (pentru combustibil)

Cantitățile de gaze arse existente la sfârșitul arderii izobare

– bioxid de carbon:

– vapori de apă:

– oxigen:

– azot:

– cantitatea totală:

Masa fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Constanta caracteristică fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Entalpia fluidului motor la sfârșitul arderii izocore

Entalpia fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Temperatura fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Presiunea fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Volumul fluidului motor la sfârșitul arderii izobare

Raportul de destindere prealabilă

4.5 Calculul procesului de destindere

Procesul de destindere reprezintã partea din ciclul motor în care se produce fracțiunea principalã din lucrul mecanic disponibil (lucru mecanic se produce și înaintea destinderii – în ardere, și dupã destindere – în perioada evacuãrii libere). În cadrul procesului, energia internã acumulatã de fluidul motor se transformã parțial în lucru mecanic al pistonului care se deplaseazã de la pmi la pme.

Coeficienții căldurii specifice medii molare ai fluidului motor

Tabel 4.4 Coeficienții căldurii specifice medii molare

Ecuația de determinare a exponentului mediu politropic al destinderii

Se consideră M`S = si M`D =

Figura 4.3. Determinarea exponentului mediu politropic al destinderii

Valoarea exponentului mediu politropic al destinderii pentru care diferența dintre cei doi membrii ai ecuației să fie cât mai mică posibil ,adică : . Urmând aceeași pași de la determinarea exponentului mediu politropic al comprimării, va rezulta:

Volumul fluidului motor la sfârșitul destinderii

Presiunea fluidului motor la sfârșitul destinderii

Temperatura fluidului motor la sfârșitul destinderii

Raportul de destindere

Raporul de scadere al presiunii

Temperatura gazelor arse reziduale

4.6 Determinarea parametrilor indicați, efectivi si constructivi

Cunoscându-se mărimile de stare ale fluidului motor în punctele caracteristice ale ciclului de funcționare,se poate trece la determinarea valorilor parametrilor indicați și efectivi ai ciclului de funcționare,precum și a principalelor dimensiuni constructive ale motorului.

Lucrul mecanic indicat intr-un cilindru

Presiunea medie indicată

Randamentul indicat

Consumul specific indicat de combustibil

Presiunea medie efectivă

Randamentul efectiv

Consumul specific efectiv de combustibil

Lucrul mecanic indicat necesar a fi dezvoltat intr-un cilindru

Coeficientul de similitudine

Volumele reale ale fluidului motor în punctele caracteristice ale ciclului de funcționare

Tabel 4.7. Valorile volulului si presinunii din cilindru în timpul comprimării și destinderii

Diametrul cilindrului

Cursa pistonului

Raza manivelei

Lungimea bielei

Cilindreea unitară

Cilindreea totală

Viteza medie a pistonului

Viteza ungthiulară a arborelui cotit

Puterea efectivă a motorului

Puterea indicată

Puterea pe cilindru

Puterea specifică a pistonului

Puterea litrică

Indicele de baleiaj

Gradul de solicitare al motorului

Dimensiunile de gabarit ale motorului

Lungimea:

Înălțimea motorului:

Adâncimea motorului:

Lățimea motorului:

4.7 Cinematica pistonului

Pentru studiul cinematicii pistonului este necesar sa determinăm deplasarea, viteza si accelerația acestuia.

4.7.1 Deplasarea pistonului

Figura 4.4. Mecanism biela-manivela.Cinematica pistonului

Tabel 4.8. Deplasarea pistonului

4.7.2 Viteza pistonului

Tabel 4.9. Determinarea vitezei pistonului

4.7.3 Accelerația pistonului

Tabel 4.10. Determinarea accelerației pistonului

4.8 Calculul dinamic al mecanismului bielă-manivelă

În timpul unui ciclu forțele datorită presiunii gazelor variază după aceeași lege ca și variația presiunii din cilindru, funcție de unghiul . Pentru a determina variația presiunii funcție de unghiul , se folosește diagrama indicată.

Prin calculul dinamic se urmărește determinarea mărimii și caracterului variației sarcinilor care acționează asupra pieselor motorului, calcul ce este necesar în vederea stabilirii soluțiilor de echilibrare și de fixare pe șasiu, pentru studiul vibrațiilor motorului și ale structurii pe care acesta este montat.

4.8.1 Forțele care acționează asupra mecanismului

Forța datorată presiunii gazelor din cilindru se calculează cu relația:

Figura 4.5. Forțe si momente dezvoltate de gazele din cilindru

Forțele de interție a maselor aflate în mișcare de translație

Figura 4.6. Forțe si momente dezvoltate de miscarea de translație

Unde: reprezintă masa pistonului, iar (masa bielei)

4.8.2 Forțele rezultante din mecanismul motor

Figura 4.7 Determinarea foțelor rezultante din mecanismul motor

4.8.3 Momentul motor

Tabel 4.11 Forțele și momentele care acționează in mecanismul

4.9 Calculul organologic

Pe baza relțiilor matematice realizate anterior, se poate trece la o nouă etapă, și anume, proiectarea componentelor mecanismului motor si a agregatelor acestora.

4.91Construcția și calcului pistonului

4.1.1. Rol funcțional

Transmite bielei forța de presiune a gazelor

Asigură transmiterea componentei normale produse de bielă către cămașa cilindrului

Impreuna cu segmenții asigura dubla etanseitate a cilindrului de carter

Preia o parte din energia degajată în urma arderii combustibilului, pe care o transmite bolțului, bielei, precum și agentului de răcire

4.1.2. Materiale

Materialele utilizate trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

Rezistența la temperature ridicate

Densitate redusă pentru reducerea forțelor de inerție

Coeficient de dilatare redus

Calități antifrictiune deosebite

Rezistență mare la coroziune

Materialul cel mai des utilizat în construcția pistonului este fonta, datorită calităților antifrictiune ridicate pe care aceasta le posedă.

4.1.3. Schemă de calcul

Lungimea pistonului

Lungimea mantalei

Lungimea de compresie

Grosimea pistonului în zona canalelor de segmenți

Grosimea pistonului în zona mantalei

Diametrul umerilor pistonului la interior

Diametrul umerilor pistonului la exterior

Lungimea umerilor pistonului

Înălțimea de protecție în regiunea de foc

Înălțimea flancului dintre două canale successive de segmenți

Grosimea capului pistonului

4.1.4. Calculul capului pistonului

Unde: – diametrul capului cilindrului la interior; – coeficient de dilatare a cămășii; – coeficient de dilatare al pistonului; – jocul la cald.

Tensiunile radiale maxime la extremitate

Tensiunile tangențiale

Tensiunile termice radiale la extremitate

În care: ; ; ;

Tensiunile termice tangențiale

Rezultanta tensiunilor

Verificarea mantalei la presiune specific

Unde:

Verificarea la forfecare a umerilor pistonului

4.2. Calculul și construcția bolțului

4.2.1. Rol funcțional

Bolțul este montat în umerii pistonului, facând legatura între acesta si bielă si transmițand forța de presiunea a gazelor, precum și forța de inerție a maselor aflate în mișcare alternativă.

4.2.2. Materiale

Pentru bolț se adopta oțeluri carbon sau oteluri aliate cu următoarele caracteristici:

Rezistență la rupere ridicată

Duritate mare

Proprietăți antifricțiune bune

4.2.3. Schema de calcul

Diametrul bolțului la exterior

Diametrul boltului la interior

Lungimea bolțului

Lungimea bolțului în interiorul piciorului bielei

Lungimea bolțului în umerii pistonului

Jocul dintre umerii pistonului și piciorul bielei

Se adoptă, pentru ambele timpuri de motorizare:

Calculul la presiunea de contact între umerii pistonului și piciorul bielei.

Verificarea bolțului la oboseală prin încovoiere

Mmax=

•

σimax`=

Coeficientul de siguranța la oboseală

= 1.5 – coeficientul stării suprafeței;

= 1 – coeficientul concentratorilor de tensiune;

= 0.8 – coeficient dimensional;

-1 = 360 – rezistenta la oboseala prin ciclu alternant simetric de încovoiere.

Verificarea bolțului la forfecare

Verificarea bolțului la oboseală

Determinarea jocului la montaj

4.3. Construcția și calculul segmenților

4.3.1. Rol funcțional. Construcție.

Segmenții sunt componente ale grupului piston, care asigură etanșarea camrei de ardere. Segmentul de la partea superioară a pistonului izolează gazele arse din camera de ardere și poartă denumirea de segment de comprimare. Ceilalți segmenți, montați în zona inferioară a regiunii port-segmenți asigura, in primul rând, împiedicarea pătrunderii uleiului de ungere în cameră. Sunt denumiți segmenți de ungere.

4.3.2. Calculul segmenților

Presiunea medie pe care o dezvoltă segmentul

Calculul grosimii radiale a segmentului

Verificarea segmentului la dilatare

s = cil = 11·10-6 [grd-1] – coeficient de dilatare termica liniara al segmentului

= 160 oC

= 107 oC

ts – temperatura segmentului in functionare

tcil – temperatura cilindrului in functionare

Distanța dintre capete, măsurată pentru fibra medie în stare liberă

– raza fibrei medii în stare liberă

4.4. Construcția si calculul cămașii cilindrului

4.4.1. Alegerea materialului

Cămașa cilindrului motoarelor de automobilese confecționează din fontă, deoarece satisface cel mai bine dezideratele principale:

Rezistența ridicată la uzură abrazivă și corozivă

Proprietăți antifricțiune bune

Rezistență satisfăcătoare la solicitări mecanice

Turnare facilă

4.4.2. Alegerea tipului de cămașa

Dupa modul de asamblare cu blocul motorului se disting trei soluții constructive de camasi :

Pentru motorul cu aprindere prin comprimare adopt cămașa umedă, iar pentru motorul cu aprindere prin scânteie aleg cămașă uscată.

4.4.3. Stabilirea dimensiunilor principale ale cămășii

Lungimea cămășii cilidrului

Lungimea camerei de racire

Grosimea pereților etanși

Diametrul exterior al gulerului de sprijin al cămășii cilindrului

Unde:

– forța care apasă asupra gulerului datorită strângerii chiulasei

– aria

– diametrul interior al gulerului

– diametrul exterior al gulerului

MAS:

MAC:

Sarcina uniform distribuită pe suprafața de contact

Momentul încovoietor maxim

Hg =

4.4.4. Calculul de rezistență

Tensiuni normale si radiale

Pe conturul interior (r = R)

Pe conturul exterior (r = R1)

Calculul tensiunilor termice

Pe suprafața interioară a tubului

Pe suprafața exterioară

Verificarea la încovoiere datorită forței normale

4.5. Construcția și calculul bielei

4.5.1. Rol funcțional. Componență. Condiții de funcționare.

Biela transmite forța de presiune a gazelor si foța de inerție de la grupul piston la arborele cotit. De asemenea, ea transformă mișcarea de translație a pistonului în mișcare de rotație a arborelui cotit.

Componentele bielei sunt: piciorul bielei, articulat cu pistonul prin intermediul bolțului; capul bielei, asamblat cu arborele cotit și corpul bielei care reprezintă zona de legătura dintre cele doua menționate anterior.

4.5.2. Piciorul bielei.

Diametrul exterior al piciorului bielei

Grosimea piciorului bielei

Înălțimea piciorului bielei

Grosimea bucșei

Diametrul interior al piciorului bielei

4.5.3. Corpul bielei

Lățimea corpului bielei în scțiunea minimă

Lățimea corpului bielei în secțiunea maximă

Lățimea corpului bielei în secțiunea A-A

4.5.4. Capul bielei

Diametrul interior al capului bielei

Unde – grosimea cuzinetului din capul bielei

Lungimea capului bielei

Dimensionarea șurubului la întindere

În care:

– diametrul șurubului

– coeficient d siguranță ce ține seama de eventualele solicitări la șoc ale șurubului

– rezistența la curgere a materialului

MAS:

MAC:

Distanța dintre axele șuruburilor

MAS:

MAC:

4.6. Construcția și calculul arborelui cotit

4.6.1. Rol. Componență. Condiții funcționale.

Arborele cotit transformă, cu ajutorul bielei, mișcarea de translație a pistonului în mișcare de rotație și transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forța de presiune a gazelor. La motoarele policilindrice, arborele cotit însumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru și îl transmite consumatorilor.

Ca rol suplimentar, arbolele cotit antreneaza sistemele auxiliare ale motorului, cum ar fi: mecanismul de distribuție, pompa de injecție, alternator, ventilator, etc.

Elementele componente ale arborelui cotit sunt: fusurile maneton și palier, brațele, contragreutați si o parte posterioara care se fixează cu volantul.

4.6.2. Alegerea dimensiunilor principale.

Lungimea cotului

Diametrul fusului palier

Lungimea fusului palier

Diametrul fusului maneton

Lungimea fusului maneton

Grosimea brațului

Lățimea brațului

Raza de racordare

4.6.3. Verificarea fusurilor palier la oboseală

Eforturile unitare la răsucire

Coeficientul de siguranță la oboseală a fusului palier

4.6.4. Verificarea fusului maneton la oboseală

Momentul de incovoiere

Unde:

Momentul minim și maxim în planul cotului

Momentul maxim și minim în planul tangențial

Eforturile unitare maxime și minime

Coeficientul de siguranță la oboseală a fusului palier