Исполнительные механизмы предназначены для преобразования электрического сигнала с определенной частотой, силой тока и напряжением в механическую, химическую, тепловую и магнитную энергию. Они преобразуют маломощные сигналы, передающие информацию о расположении элементов исполнения в рабочие сигналы соответствующего для процесса управления энергетического уровня. Конверторы сигнала объединены с элементами усилителя для того, чтобы использовать физические принципы преобразования, управляющие взаимосвязью между различными формами энергии (электрической—механической—жидкостной—тепловой).

В автомобиле исполнительные механизмы в основном представляют собой электромагнитомеханические преобразователи и электрические сервоприводы, линейные и роторные электромагнитные исполнительные механизмы. Исключением является пиротехническая система надувания подушек безопасности. Соленоидные исполнительные механизмы могут быть самостоятельными сервоэлементами или выполнять управляющие функции, направляя работу силового устройства (например, гидромеханического)

В табл. 4.1 приведены параметры используемые для описания работы исполнительных механизмов.

Величины параметров и единицы измерения

Электромеханические исполнительные механизмы являются элементами непосредственного управления; они служат для превращения электрического сигнала в механическое перемещение или работу без какого-либо промежуточного устройства преобразования. Описываемые приводы не обладают способностью к самовозврату (не имеют устойчивой рабочей точки); они способны выполнять только позиционные операции из постоянного исходного положения (рабочая точка), в том случае, если приложена противодействующая сила (например, возвратная пружина).

Электромеханические исполнительные механизмы классифицируются по типу преобразования энергии (рис. 4.1). Энергия, получаемая от источника, преобразуется в энергию магнитного или электрического поля, или превращается в тепло. Принцип получения воздействующей силы, определяемый этими формами энергии, основан на использовании силовых полей или некоторых специфических характеристик материалов.

Магнитострикционные и пьезоэлектрические исполнительные механизмы предназначены для применения в диапазоне микроперемещений. Тепловые исполнительные механизмы зависят исключительно от характеристик конкретных материалов.

Электродинамический (магнитоэлектрический) принцип основан на силе, действующей на подвижный заряд или проводник с током в магнитном поле (сила Лоренца) (рис. 4.2, а). Катушка или постоянный магнит генерируют постоянное магнитное поле.

Примером может служить динамик автомобиля (рис. 4.3).

Если пропустить через звуковую катушку 4 динамика переменный электрический ток, то магнитное поле катушки будет взаимодействовать с постоянным магнитным полем магнитной системы динамика. Это заставит звуковую катушку либо втягиваться внутрь зазора при одном направлении тока в катушке, либо выталкиваться из него при другом Механические колебания звуковой катушки передаются диффузору 2, который начинает колебаться в такте частотой переменного тока, создавая при этом акустические волны.

Этот принцип широко используется также в электроизмерительных приборах типа амперметров.

Электрическая энергия, предназначенная для получения силы, прикладывается к подвижной обмотке ротора (шаговый двигатель).

Электромагнитный принцип базируется на взаимном притяжении мягких ферромагнетиков в магнитном поле (рис. 4.2, б).

Электромагнитный сердечник обеспечивает устойчивую статическую рабочую точку, когда его кривая «сила-ход» накладывается на характеристическую реакцию возвратной пружины. Изменение тока катушки в электромагнитном клапане смещает рабочую точку. Простое позиционирование достигается путем управления током. Однако здесь особое внимание необходимо уделить нелинейности характеристики «сила-ток» и чувствительности системы позиционирования к помехам (например, механическому трению, пневматическим и гидравлическим силам). Температурная чувствительность сопротивления катушки приводит к погрешностям позиционирования, что делает необходимым корректирующее управление током. Высокоточная система позиционирования с хорошей динамической реакцией должна иметь датчик положения.

Электромагнитные исполнительные механизмы оснащаются только одной катушкой, создающей поле и потребляющей энергию, идущую на преобразование.

Для повышения индуктивности катушка оснащена железным сердечником. Однако, поскольку сила пропорциональна квадрату магнитной индукции, устройство работает только в одном направлении, поэтому требуется возвратный элемент (пружина или магнит)). Динамическая характеристика или отклик на включение электромеханического привода описывается дифференциальным уравнением для электрических схем и уравнениями Максвелла, по которым определяется зависимость силы тока от перемещения.

Электрическая цепь, как правило, состоит из индуктора с активным сопротивлением. Одним из средств улучшения динамической характеристики является перевозбуждение индуктора в момент активизации, в то время как уменьшение тока может быть ускорено стабилитроном. В любом случае улучшение характеристики достигается за счет дополнительных расходов и потерь в электронных средствах запуска исполнительного механизма. Диффузия поля является одним из сдерживающих факторов, на который трудно влиять в приводах с высокими динамическими характеристиками. Операции быстрого переключения сопровождаются высокочастотной пульсацией поля в магнитомягком материале магнитной цепи привода. Эти колебания, в свою очередь, наводят вихревые токи (нарастание и затухание магнитного поля). Результирующая задержка в нарастании и уменьшении сил может быть сокращена только выбором материала с низкой электрической проводимостью и проницаемостью.

Выбор конструкции определяется условиями работы (например, требованиями к динамической характеристике).

Электромагнитный исполнительный механизм поступательного движения имеет соленоид с втягивающей силой, уменьшающейся пропорционально квадрату перемещения в соответствии с рисунками 4.4.

Форма кривой определяется типом рабочего зазора (например, конического или цилиндрического якоря).

Электрическая энергия, предназначенная для получения силы, может прикладываться к подвижной обмотке ротора (шаговый двигатель).

Принцип работы шагового двигателя, как и все типы двигателей, состоят из статора (состоящего из катушек (обмоток)) и ротора, на котором установлены постоянные магниты.

На рис. 4.5 изображены четыре обмотки, расположенные на статоре под углом в 90 градусов относительно друг друга. Тип обмотки зависит от конкретного типа подключения шагового двигателя (как подключить шаговый двигатель). На примере рисунка обмотки двигателя не соединены, что означает, что двигатель с такой схемой имеет шаг поворота в 90 градусов. Обмотки задействуются поочередно по часовой стрелке, а направление вращения вала двигателя обусловлен порядком задействования обмоток. Через обмотки протекает ток с интервалом 1 сек. Вал двигателя вращается на 90 градусов каждый раз, когда через очередную катушку протекает ток.

Двигатель с большим пусковым моментом (рис. 4.6) является реверсивным электромагнитным вращательным исполнительным механизмом, в котором задаются характеристики стационарной рабочей точки при отсутствии противоположно направленных сил. Состояние ротора поддерживается в стационарном положении посредством действия поля постоянного магнита в статоре. Магнитное поле, генерируемое одной или двумя обмотками статора, создает крутящий момент и обеспечивает одностороннюю компенсацию магнитного поля возбуждения. Такая схема наиболее подходит для случаев, когда требуется получить значительные силы при небольших углах поворота. Зависимость между прикладываемой силой тока и моментом двигателя является приблизительно линейной. Принцип действия двигателя с большим пусковым моментом также используется для исполнительных механизмов с поступательным направлением движения.

Характеристики электромагнитных поворотных приводов показаны на рис. 4.7.

Типичное применение электромагнитного принципа — перемещение засло­нок, катушек и клапанов. Ниже рассмотрены исполнительные механизмы, действующие с использованием электромагнитного принципа.

Топливный насос. В системах впрыска бензиновых двигателей применяются преимущественно электрические насосы шиберного типа с рабочими органами в виде роликов (рис. 4.8).

Насос и электродвигатель установлены в корпусе и погружены в топливо. Электродвигатель охлаждается топливом, при этом опасность взрыва исключена ввиду отсутствия здесь горючей смеси. Реле топливного насоса прерывает цепь напряжения питания топливного насоса в режиме, когда двигатель не работает, а зажигание включено.

Насос состоит из герметично закрытого корпуса, внутри которого установлен непосредственно сам насос 3 и электродвигателя 4, приводящего во вращение насос. Редукционный клапан 2 предохраняет систему от чрезмерного повышения давления, а обратный клапан 5 препятствует стеканию топлива в бак после остановки насоса.

Принцип работы насоса поясняют схемы на рис. 4.9.

Ротор насоса 2 расположен эксцентрично относительно корпуса 4 и вращается вместе с якорем электромотора. Ролики перемещаются в канавках ротора, постоянно прижимаясь к опорной поверхности статора.

При вращении ротора увеличивается объем серповидной полости, ограниченной поверхностью статора 4, ротором 2 и двумя роликами, расположенными выше и ниже впускного отверстия 1 (рис. 4.9, а). При этом указанная полость заполняется топливом. Когда ротор, а вместе с ним и ролики займут положение, показанное на рис. 4.9, б, объем серповидной полости между роликами будет уменьшаться, что обеспечивает подачу топлива в нагнетательную магистраль.

Форсунка. Форсунка (рис. 4.10) представляет собой электромагнитный клапан. Форсунка предназначена для впрыска дозированного количества топлива, необходимого для приготовления горючей смеси при различных режимах работы двигателя. Дозирование количества топлива зависит от длительности электрического импульса, поступающего в обмотку катушки электромагнита форсунки. Впрыск топлива форсункой синхронизирован с положением поршня в цилиндре двигателя.

Форсунка состоит из корпуса 3, крышки 6, обмотки катушки 4 электромагнита, сердечника 8 электромагнита, иглы 2 запорного клапана, корпуса 9 распылителя, насадки 1 распылителя и фильтра 5. При работе двигателя топливо под давлением поступает в форсунку через фильтр 5 и проходит к запорному клапану, который находится в закрытом положении под действием пружины 7.

При поступлении электрического импульса в обмотку катушки 4 электромагнита возникает магнитное поле, которое притягивает сердечник 8 и вместе с ним иглу 2 запорного клапана. При этом отверстие в корпусе 9 распылителя открывается, и топливо под давлением впрыскивается в распыленном виде во впускной трубопровод.

После прекращения поступления электрического импульса в обмотку катушки электромагнита магнитное после исчезает, и под действием пружины 7 сердечник 8 электромагнита и игла 2 запорного клапана возвращаются в исходное положение. Отверстие в корпусе 9 распылителя закрывается, и впрыск топлива из форсунки прекращается.

Регулятор давления топлива (рис. 4.11) системы непосредственного впрыска устанавливается в системе для поддержания необходимого давления в распределительном трубопроводе независимо от расхода топлива через форсунки и от его подачи насосом высокого давления. С его помощью распределительный трубопровод сообщается со сливной магистралью, через которую топливо возвращается в бак. Он может устанавливаться как на топливном насосе высокого давления, так и отдельно.

Блок управления двигателем подает на обмотку регулятора широтно-импульсный сигнал, изменяемый при отклонении давления в распределительном трубопроводе от заданного значения. Под действием магнитного поля якорь электромагнита 4 вместе с запорным шариком 7 поднимается с седла, открывая путь топливу в сливную магистраль. Чем больше ширина импульсов, тем шире проход в регуляторе и тем больше сливается топлива из распределительного трубопровода.

В обесточенном состоянии шарик закрыт. В результате этого в системе постоянно поддерживается высокое давление топлива. Для защиты компонентов топливной системы от чрезмерного давления 2 предусмотрена пружина, удерживающая шарик в закрытом состоянии до давления 120 кгс/см². При превышении этого давления шарик открывается.

Клапан рециркуляции отработавших газов (ОГ). В магистрали ОГ перед сажевым фильтром расположен широкополосный лямбда-зонд, сигнал которого используется в качестве корректирующей величины для регулировки количества рециркулируемых ОГ. Если доля кислорода в ОГ отличается от заданного параметра характеристики рециркуляции ОГ, то блок управления двигателя посылает сигнал управления на клапан рециркуляции и, соответственно, изменяет количество рециркулируемых ОГ.

В обесточенном состоянии клапан рециркуляции ОГ 1 (рис. 4.12) перекрывает подачу ОГ во впускной коллектор. Он включается, когда охлаждающая жидкость нагревается до 35 °C. При подаче сигнала управления клапан открывается на определенную величину, определяемую блоком управления.

Потенциометр системы рециркуляции ОГ 4 передает блоку управления двигателя информацию о проходном сечении клапана рециркуляции. Это необходимо для регулировки напряжения обмотки клапана в соответствии с параметрическим полем.

Для выравнивания давления в клапане во время фазы регулировки предусмотрено его непосредственное соединение с атмосферой через воздушный фильтр.