Что такое мехатронные системы автомобиля

Из механика в мехатроники – глазами профессионального диагноста

Из механика в мехатроники – глазами профессионального диагноста

Мехатроник

Кто такой мехатроник? Даже Майкрософт Офис это слово до сих пор подчёркивает красным, хотя у нас с вами это слово вошло в ежедневный обиход.

Мехатро́ника — область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами.

Википедия даёт вот такое страшное изображение, чтобы прокомментировать это понятие (которое окончательно должно испугать человека, который решил стать мехатроником):

Говоря простым языком о мехатронике в нашем контексте: механизмы автомобиля обрастают электроникой и интеллектуальным управлением, и теперь специалисту, обслуживающему узел автомобиля, не достаточно знать его механическую часть, но нужно разбираться в логике и принципах его электронного управления, а также на базовом уровне уметь обслуживать эти электронные узлы.

А для этого необходимо понимание:

Ранее работы делились на два уровня:

Но сейчас синергия механики и электроники стала настолько тесной, что без понимания стороны управления нельзя обслужить механику, и наоборот – без точного понимания механики нельзя обслужить электронику.

Встаёт вопрос – кто должен заниматься проблемой – диагност, механик или они вдвоём? Правильный ответ – мехатроник – специалист, хорошо знающий автомобильную механику, а также обладающий знаниями в области электроники и принципов работы систем управления.

Давайте посмотрим на задачи механика:

И что сейчас происходит со всеми этими задачами? В большинстве механических операций требуется участие со стороны систем управления – адаптации, калибровки, сбросы, управляющие воздействия:

То есть, чистая профессия механика потихоньку сдает позиции, как в свое время профессия карбюраторщика.

Но в условиях отсутствия квалифицированных специалистов у СТО остаётся только вариант «кидать в бой» диагностов в паре с механиком.

В итоге сейчас – каждого диагноста на станции задёргивают вопросами и необходимостью вмешательства в работу механика: нужно бегать между постами. Порой это приводит к тому, что одного диагноста в смене может попросту не хватать. Для диагноста же это – потеря времени, внимания, продуктивности, качества работ. Многие процессы на СТО оказываются замкнутыми на одном специалисте. Плюс, часто возникают конфликты между механиком и диагностом (если у диагноста не проходит какая-либо операция).

Даже если смотреть на действующую устаревшую систему СТО – диагност должен заниматься диагностикой – поисками сложных неисправностей, неисправных датчиков, заниматься анализом электрооборудования, искать проблемы в цепях питания и топливоподачи и т. д. Его рабочий цикл – часто длинный и сложный (тест-пробег-тест-пробег). Его задача – искать и анализировать. Машина троит, дергается, не двигается и т. д. А не «Вася, тут колодки нужно развести».

Почему это сложилось таким образом? Потому что испокон веков система управления и работа сканером были отдельной сложной областью знаний.

Давайте посмотрим, как еще 8-10 лет назад выглядели эти сервисные функции:

– очевидно, человек без глубокого опыта не способен провести эту операцию.

Но несмотря на то, что квалификация механика по части мехатроники ещё не достаточна, развитие пришло с другой стороны – со стороны оборудования. И сейчас базовая электроника, обслуживающая перечисленные стандартные узлы уже может быть обслужена без вмешательства диагноста.

Как это выглядит сейчас:

Ровно такой же порядок действий – для прочих сервисных операций

Итак – все эти работы, которые раньше требовали участия диагноста, теперь могут быть произведены силами механика, умеющего работать с интерфейсом, аналогичным смартфону. При этом теперь все эти экспресс-работы не требуют настолько высокой квалификации и стоимости нормочаса, которые имеет диагност-электрик.

Кроме этого – не нужно ждать, когда диагност освободится, все операции выполняются механиком, который обслуживает автомобиль.

Что важно – производители оборудования адаптировали эти устройства именно для этой группы задач. И здесь я ни в коем случае не занимаюсь рекламой какого-то конкретного продукта – все производители шагнули в этом направлении и создали группу приборов, адаптированную именно под руки механика. В чём это проявляется:

Простой и понятный интерфейс построен таким образом, чтобы у механика не было возможности навредить автомобилю. Все «опасные» функции и сбросы – скрыты.

Доступ к функции – максимально простой. Выбор автомобиля и функции – интуитивно понятен. Одни и те же операции делаются на разных автомобилях единообразно, по одной и той же схеме. Для начала работы механика с этим устройством достаточно короткого однодневного курса работы с устройством, на котором представитель производителя расскажет про особенности интерфейса.

Cтоимость этих приборов – от 20 до 45 тыс руб. 1-2 недели работы диагноста, освобождённой от этих неактуальных для него задач.

Приборы – маслобензостойкие, ударопрочные, а экран и элементы управления выдержат любой маникюр и крем для рук.

Достаточно 1 прибора на СТО (или в цех).

Итого, мы закрыли довольно большую группу задач, на которую раньше нам приходилось привлекать диагноста и отвлекать его от своих задач.

Мы сталкивались с ситуациями, когда диагност реагировал отрицательно на то, что механику выдают часть его полномочий – мол, в этом виде у него отбирают хлеб. Но реалии таковы, что если на СТО диагност занимается вот этими задачами, значит, процессы на СТО настроены неправильно. По факту у него должно было добавиться огромное количество новых задач, и если сервис не дает ему нагрузку по ним – стоит задуматься, не проходит ли часть этого рынка мимо. Мы предлагаем освободить диагноста от несвойственных ему функций.

А какие задачи у нас сейчас стоят у диагноста?

Во-первых, в числе задач есть довольно много таких, в которых диагност участвует не один. Эти задачи должны постепенно переходить от диагноста к мехатроникам.

Приведем пример.

Обслуживание модуля климата.

Итого участвует 2 или 3 человека (смотря кто разбирает автомобиль – арматурщик или механик). Машина ждёт обоих, возможно перегоняется между боксами, зоны ответственности непрозрачны, поиск проблем при неудовлетворительном ремонте затруднён.

На эту тему еще один пример:

Мастер-приемщик берет в работу автомобиль, оснащенный роботизированной коробкой передач с неисправным сцеплением. Мастер уверенно определяет по симптому явно пробуксовывающее сцепление как изношенное, так как механик исходя из своего опыта однозначно диагностирует проблему именно таким образом, и не учитывает возможное влияние других связанных элементов.

После замены изношенных деталей диагносту ставится задача адаптировать сцепление. С этой задачей диагност не справляется – обнаруживается «еще одна, теперь уже основная неисправность, являющаяся причиной выхода из строя сцепления»: некорректно работает актуатор «штоковый привод сцепления».

В результате уже после объявленной стоимости для клиента и выполненных работ выясняется, что необходимо менять еще одну дорогостоящую деталь. Это вызывает сильный негатив у клиента. Некоторые станции для сохранения лояльности клиента идут ему на уступки, тем самым теряя собственную прибыль.

Так, при наличии минимального прибора диагностики мехатроник сможет сразу выяснить, что имеется не только фактическая неисправность (явно пробуксовывающее сцепление), но и скрытая (неисправность актуатора) (и возможно связанные с этим коды ошибок).

Конечно же, при проведении этой группы работ мехатроник уже должен понимать, что происходит в автомобиле со стороны электроники. Скажем, если при проведении перечисленных выше сбросов худшее, что может произойти – сброс не пройдёт (в этом случае прибор напишет, почему), то при неправильном проведении более сложных операций – машина может не выехать с сервиса.

Вместе с тем, очень часто стали возникать ситуации, где становится недостаточно разделенных знаний механика и диагноста.

Из практики работы с дизельными автомобилями (топливной группой), – не только сложнее, но и в силу участия четырех звеньев в цепи ремонта (мастер приемщик, диагност, механик, сотрудник топливного участка), порождает большее количество ошибок. Даже при, казалось бы, простой неисправности: «двигатель не запускается», – может возникнуть очень много проблем:

В результате клиенту говорят, что неисправны форсунки – клиент их ремонтирует или покупает новые. Далее указывают, что вышел из строя регулятор давления – и клиент его тоже меняет. Потом оказывается, что причиной всему был вышедший из строя топливный насос низкого давления или банальное завоздушивание системы.

Это довольно непростой пример, который сейчас тяжело совместить «в одном человеке». Но он показывает, что степень интегрированности систем настолько высока, что стремиться к централизованности знаний по одной системе в одном специалисте – мехатронике – крайне необходимо.

Соответственно, часть таких задач у диагноста исчезает, переходя к мехатроникам, при этом сохраняя принцип «Кто диагностирует, тот и ремонтирует»: каждый мехатроник отчасти становится диагностом в своей специализации.

У самого же диагноста значительно увеличилось количество электронных систем в автомобиле, значительно возросла и их «коммуникабельность». Теперь автомобиль – это целый электронный «дом» на колесах, блоки управления связаны между собой в сеть, обмениваются данными и обладают развитой системой самодиагностики. Работа диагноста стала более сложной, ему необходимо анализировать не только отдельную систему, но и всю сеть в целом.

Как и мехатроники, диагност также должен превратиться в специалиста по ремонту конкретной системы – систем электронного управления автомобилем.

Упомянутые примеры показывают, насколько сложно может быть разобраться с мехатронной системой, и фактически ставит вопрос: «Какого уровня должен быть мехатроник и что именно он должен уметь?».

Вероятно, для большинства типов СТО, будет применимо разделение уровня квалификации по системам автомобилей:

Для Мехатроников класса А («экспресс-задач» – замена колодок, масла, ремней и пр.) – фактически обучение требуется минимальное. Со стороны оборудования эти задачи решаются легко. В тех же приборах, в той же ценовой группе, есть сканеры, способные делать все эти операции. И в случае необходимости предоставить сотруднику базовые данные для выполнения задач по ремонту.

Достаточно будет хотя бы посещений семинаров и вебинаров, проводимых производителями и их представителями – по отдельным направлениям. В частности, такие тренинги проводит и наша компания.

Также, в период пандемии многие производители – Bosch, Autel, Grunbaum, Launch – проводили семинары вебинары системам по TPMS, ADAS, экспресс-сервису, заправке кондиционеров. Да, в этих семинарах стоит закрывать глаза на часть джинсы, но для понимания предмета их оказывается достаточно, потому что производители уже здорово раскачали своё оборудование и справочные системы. И с этими знаниями механика уже можно «бросать» на перечисленные экспресс-задачи.

А вот для Мехатроников класса Б (например, «ремонт дизельного двигателя») потребуется наличие квалификации механика высокого уровня и приличные знания в области диагностики. Итого, сегодня заниматься современным автомобилем должен человек с инженерной подготовкой. Специалист сначала должен оценить проблему с точки зрения происходящих в ней процессов, применить к ней систему экспериментов, выявить проблему, и после этого уже устранять её механически и/или электронно. Также стоит участь и совершенно иные требования к оснащению рабочего участка (не только оборудованием, но и информационными системами).

Мы не учебное заведение, мы не СТО. Но со своей стороны можем вынести на обсуждение «мнение», собранное из опыта работы некоторых наших партнёров, о том, как ускорить переход механика в мехатроники:

Например, для понимания процесса и успешного выполнения работ по замене ступичных подшипников, конструктивно содержащих в себе магнитный задающий диск ABS, на данную работу несколько раз назначить двух сотрудников – диагноста и механика, поставив им цель:

В заключение хочу добавить, что безусловно, всему автосервисному сообществу необходимо держать тесную связь и помогать в переработке учебных планов специализированных учебных заведений в части дополнительной подготовки механиков. Но это в рамках заботы о будущем – сейчас мы чувствуем сильный разрыв в том, с какими знаниями учащиеся выходят, и какие знание нужны на практике. Общеобразовательные учебные заведения только начинают готовить мехатроников. Но как признаются сами преподаватели, «Мы в самом начале пути»:

Как результат – у выпускников по механическим направлениям не освоена электрика и электроника, нет базовых знаний электротехники, нет опыта работы со сканерами. И в их понимании всё еще сохраняется разрыв между механикой и системами управления.

Но именно автосервисы должны формировать запрос на специалиста новой профессии – мехатроника.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Мехатроника

Термин «мехатроника» появился в резуль­тате слияния механики и электроники, где электроника означает «аппаратную часть» и «программное обеспечение», а меха­ника — общее понятие для дисциплин «ма­шиностроение» и «гидравлика». Вопрос не в том, чтобы заменить инженерную механику «электронификацией», а в том, чтобы раз­работать синергетический подход и методо­логию проектирования. Вот о том, что представляет собой современная мехатроника, мы и поговорим в этой статье.

Цель мехатроники – это достижение синергетической оптимизации машинострое­ния, электронных устройств и программного обеспечения для проектирования еще боль­шего количества функций при низких затра­тах, меньшей массе и меньшем занимаемом пространстве и при более высоком качестве.

Ключевым фактором успеха мехатронного подхода к решению проблем является рас­смотрение двух прежде отдельных дисци­плин как одного целого.

Применение мехатроиники в автомобилестроении

Мехатронные системы и компоненты теперь используются практически во всех аспектах автомобилестроения, начиная от управления двигателем и впрыска топлива в двигателях с искровым зажиганием, и дизельных двигате­лях управления переключением трансмиссии, и управления электрической и тепловой энер­гией до широкого спектра тормозных систем, и систем динамической стабилизации. Сюда даже относятся коммуникационные и инфор­мационные системы, со множеством разных требований. Наряду с системами и компонен­тами мехатроника играет все более важную роль в области микромеханики.

Примеры на уровне системы

Общей тенденцией является появление си­стем для полностью автоматического управ­ления автомобилем. В будущем механиче­ские системы будут все больше заменяться системами «х-by-wire», т.е. электронными. Одной из систем, существующих уже до­вольно долгое время, является «drive-by­wire», т.е. электронное управление дрос­сельной заслонкой. Система Brake-by-wire заменяет механическую и гидравлическую связь между педалью и тормозом колеса. Датчики определяют желание водителя за­тормозить и передают эту информацию на электронный блок управления (ЭБУ). Затем ЭБУ создает необходимое тормозное усилие на колесах посредством исполнительных механизмов.

Возможным вариантом реализации си­стемы Brake-by-wire является электрогидравлическая тормозная система (SBC). При нажатии педали тормоза или вмешательстве системы динамической стабилизации (ESP) ЭБУ SBC вычисляет необходимое тормозное давление для каждого колеса. Поскольку электронный блок вычисляет необходимое тормозное давление отдельно для каждого колеса и по-отдельности определяет фактиче­ские значения, он может также регулировать тормозное давление на каждом колесе через модуляторы давления. Каждый из четырех модуляторов давления состоит из впускного и выпускного клапанов, управляемых электрон­ными выходными каскадами, которые вместе обеспечивают точную регулировку давления.

В системе с общей напорной магистралью (дизельный двигатель) нагнетание давления и впрыск топлива отделены друг от друга. Акку­мулятор высокого давления, т.е. общая напор­ная магистраль, накапливает давление топлива, необходимое для каждого рабочего режима двигателя. Форсунка, управляемая электро­магнитным клапаном со встроенным соплом, выполняет функцию впрыска топлива прямо в камеру сгорания каждого цилиндра. Электро­ника двигателя постоянно запрашивает данные о положении педали газа, скорости вращения, рабочей температуре, расходе всасываемого воздуха и давлении в магистрали для оптими­зации управления дозированием топлива в за­висимости от режима работы.

Примеры на уровне компонентов

Топливные форсунки — важнейшие компо­ненты при определении будущего потен­циала технологий для дизельных двигателей. Форсунки с общей топливной магистралью являются отличным примером того, что очень высокой степени функциональности и, в конечном итоге, удовлетворения клиентов можно добиться только путем контроля всех физических областей (электродинамики, ме­ханики, гидродинамики), воздействующих на эти компоненты.

Автомобильные CD-приводы подверга­ются особенно жестким условиям эксплуа­тации. В дополнение к широким диапазонам температур, они должны выдерживать экс­тремальные вибрации, критически влияю­щие на такие высокоточные системы. При­воды обычно оснащаются системой упругой амортизации для изоляции блока воспро­изведения от вибраций, возникающих при движении автомобиля. Любые стремления уменьшить вес и монтажное пространство CD-приводов сразу вызывают требования улучшения этих систем упругой амортиза­ции. Если система амортизации CD-привода отсутствует, основной акцент делается на проектировании механической системы с нулевыми зазорами и обеспечении допол­нительного усиления и отслеживающих кон­троллеров на высоких частотах. Лишь путем рассмотрения обеих мер с точки зрения мехатроники можно прийти к оптимальному решению по защите от вибрации в автомо­биле. В дополнение к снижению массы при­мерно на 15 % необходимо также уменьшить монтажную высоту примерно на 20%.

Новый мехатронный подход для электро­приводов вентиляторов радиатора системы охлаждения двигателя основан на использова­нии бесщеточных, электронно коммутируемых двигателей постоянного тока. Изначально, они более дороги (двигатель с электроникой), чем старые, оснащенные щетками. Однако общая оптимизация имеет положительный эффект: бесщеточные двигатели постоянного тока можно использовать в качестве двигателей с «мокрым» ротором с гораздо более простой конструкцией. Это уменьшает количество от­дельных деталей примерно на 60%. Говоря в целом, более прочная конструкция имеет вдвое больший срок службы, почти вдвое меньший вес, примерно на 40% меньшую общую длину, в то же время поддерживая за­траты на сравнимом уровне.

Примеры в области микромеханики

Еще одной областью применения для меха­троники являются микромеханические дат­чики, с достойными упоминания примерами, такими как пленочные термоананемометры и датчики скорости вращения вокруг верти­кальной оси.

Конструкция микросистем также требует междисциплинарного подхода в связи с тес­ным взаимодействием между подсистемами, с отдельными дисциплинами, такими как ме­ханика, электростатика, гидродинамика (где необходимо) и электроника.

Методология разработки мехатронных систем

Моделирование мехатронных систем

Особые проблемы, с которыми проектиров­щики сталкиваются при разработке мехатронных систем, являются сокращение вре­мени разработки и усложнение систем. В то же время крайне важно, чтобы в результате разработок создавались полезные продукты.

Сложные мехатронные системы состоят из большого количества компонентов из широ­кого спектра областей: гидравлики, механики и электроники. Взаимодействие между этими областями — решающий фактор, определяю­щий функционирование и эффективность всей системы. Модели требуются для проверки клю­чевых проектных решений, особенно на ранних стадиях разработки, когда еще нет прототипа.

Простейшие вопросы можно зачастую прояс­нить путем создания относительно простых моделей компонентов. Если требуется боль­шая детализация, то нужны более подробные модели компонентов. Подробные модели фокусируются в основном на конкретной физической области.

В результате появились подробные гидрав­лические модели форсунок системы Common Rail. Они моделируются с помощью специ­альных программ, алгоритмы которых точно соответствуют гидравлическим системам. Например, здесь требованием могло бы быть принятие во внимание кавитации.

Подробные модели также требуются для проектирования силовой электроники для активации действия форсунок. Опять же, это подразумевает использование инструментов моделирования, которые должны разраба­тываться для проектирования конкретных электрических цепей.

Инструменты, специально предназначенные для этой части системы, также должны обе­спечивать разработку и моделирование про­граммного обеспечения блоков управления ТНВД и силовой электроникой с помощью сигналов датчиков.

Поскольку компоненты системы взаимо­действуют между собой, недостаточно рас­сматривать отдельные подробные модели компонентов изолированно. Оптимальное решение — учитывать модели других ком­понентов системы. В большинстве случаев эти компоненты могут быть представлены гораздо более простыми моделями. Напри­мер, для моделирования системы фокуси­рованием на гидравлике, требуется простая модель силовой электроники.

Применение различных инструментов моде­лирования, адаптированных к конкретным областям при проектировании мехатронных систем, эффективно только при наличии поддержки по обмену моделями и параме­трами между инструментами моделирования. Прямой обмен моделями очень проблемати­чен из-за того, что при описании моделей каждого из инструментов используются раз­ные языки.

Однако анализ типичных компонентов в мехатронных системах показывает, что они могут состоять из нескольких простых эле­ментов, адаптированных к конкретным об­ластям. К этим стандартным элементам, на­пример, относятся:

Предпочтительным решением является хра­нение этих элементов в центральной стан­дартной библиотеке моделей (рис. «Библиотека моделей для микромеханического датчика скорости вращения вокруг вертикальной оси» ), доступ к которой осуществляется также и децентра­лизованно. Ядром библиотеки моделей яв­ляется документация всех стандартных эле­ментов.

Для каждого элемента она содержит:

V-модель

V-модель содержит взаимосвязи между раз­личными этапами разработки продукта, от определения требований и реализации до испытаний и внедрения системы (рис. «Общий обзор V-модели» ). На стадии разработки проект проходит три уровня:

Сначала на каждом уровне нужно сформули­ровать требования («что?») в виде специфи­каций (рис. «Рекурсивная методология на одном уровне» ). Затем они используются для создания проектных спецификаций на осно­вании проектных решений. Характеристиче­ские спецификации описывают, «как» можно выполнить требование. Характеристические спецификации создают основу для описания модели, что позволяет проверять правиль­ность каждого этапа проектирования вме­сте с определенными ранее контрольными примерами. Эта процедура проходит все три этапа и, в зависимости от применяемых технологий, в каждой соответствующей обла­сти (механика, гидравлика, гидродинамика, электрика и электроника, программное обе­спечение).

Рекурсии на каждом уровне проектирования значительно сокращают стадии разработки. Моделирование, быстрое создание прото­типов и одновременное проектирование — инструменты, позволяющие осуществлять оперативную проверку и создающие условия для сокращения циклов создания продукта.

Перспективы развития мехатроники

Движущей силой в мехатронике является по­стоянный прогресс. Прогрессу в мехатронике способствуют компьютерные технологии в виде все более мощных компьютеров в стандартных областях применения. Соот­ветственно, имеется огромный потенциал дальнейшего роста уровней безопасности и комфорта автомобилей и дальнейшего уменьшения токсичности выхлопа и расхода топлива. Инженеры также сталкиваются с новыми проблемами при внедрении новых технологий для этих систем.

Даже в случае сбоя будущие системы «Х-Ьу-wire» должны быть способны продолжать выполнять предусмотренные функции без перехода на аварийный режим с включением механики или гидравлики. Условием их реали­зации является высоконадежная мехатронная архитектура, требующая «простой» проверки безопасности. Это влияет и на отдельные ком­поненты, и на передачу энергии и сигналов.

Наряду с системами «х-by-wire» еще одной областью, в которой можно достичь значи­тельного прогресса путем систематического внедрения мехатронных систем, являются системы повышения безопасности при дви­жении (DAS) и их человеко-машинные интер­фейсы.

Подходы к проектированию мехатронных систем должны демонстрировать целост­ность в нескольких аспектах:

Еще одной проблемой является обучение для стимулирования междисциплинарного под­хода и разработки подходящих DE-процессов и форм организации и коммуникаций.

Источник