Представляем вам новые технологии в автомобилестроении , которые в ближайшее время могут стать неотъемлемой частью в автомобилестроении. Суперпластмассы - порождение новой эпохи.
Суперпластмассы.
Когда появилась возможность вплетать углеродные нити в различные материалы, стало возможным создание сверхпрочных пластмасс. Такие материалы способны выдержать большую силу удара при том, что их вес значительно ниже обычных противоударных деталей. при столкновениях и способствовать экономии веса.
Некоторые западные компании трудятся над разработкой гибридного материала - пластмасса с вплетением стального кабеля. Этот недорогой материал будет использоваться при создании элементов кузова, внутренней отделки, бамперов. Такие сверхпрочные армированные суперпластмассы действительно обладают высокой прочностью, но пока что выглядят не очень красиво. Наверняка этот недостаток вскоре будет исправлен.
Зарядка от качения автомобиля.
Гибридные автомобили до сих пор не не так популярны, как заслуживают того. А все потому, что в мире есть такие вредные снобы, которые постоянно опосаются, что заряда батарей не достаточно для полноценной поездки. Заткнуть за пояс таких скептиков должна развивающая инфраструктура и увеличивающийся объем аккумуляторов. Ряд передовиков труда в автопромышленности, такие как Audi, BMW и Mazda трудятся на интересной разработкой - генератор для выработки электричества на аккумулятор, который приводится в движение от качения автомобиля при езде.
Электромоторы в ступицах.
В «лохматые» годы Фердинанд Порше уже подумывал о том, что электрический движок машины должен располагаться в ступицах, что значительно бы расширило пространство в автомобиле для пассажиров и аккумулятора. До сих пор эта идея витает в воздухе, но производители боятся располагать так моторы, потому что увеличение неподрессоренной массы может сказаться на управляемости и плавности при движении по пыльным и гравийным дорогам. Однако, фирма Protean Electric и Lotus Engineering проводит исследования, в рамках которых два идентичных автомобиля Lotus проверяются сотрудниками компании на маневренность и управляемость.
Один из них оборудован моторами в ступицах. По результатам тестов получается, что для среднестатистического водителя разница незаметна. Небольшие огрехи в управлении устраняются небольшими подстройками подвески. среднестатистический водитель не заметит снижения производительности связанной с дополнительной неподрессоренной массой, а должная дополнительная настройка поможет побороть большую часть побочных эффектов связанных с управляемостью.
Никель-цинковые батареи.
Современное городское интенсивное движение требует экономии топлива. Обычное дело сегодня - в пробке или на светофоре заглушить двигатель, чтобы не «коптить небо». Беда в том, что свинцово-кислотный аккумулятор под капотом не способен выдержать несколько агрессивных циклов «стоп-старт» - он быстро разряжается, если поездить вы не успели, а заводились несколько раз подряд. Данная проблема была решена еще в 1901 году, когда Томас Эдисон придумал никель-цинковый.
Такой аккумулятор не теряет разрядку так быстро, если вы вынуждены глушить и заводить мотор несколько раз подряд. Кроме того, такие аккумуляторы имеют больший срок службы. Современная компания Power Genix заявляет, что никель-цинковые батареи весят вполовину меньше при удвоенном времени работы. Кроме того - они более экологичны в плане утилизации.
Современные «цифровые» автомобили содержат десятки контроллеров , объединенных в специальную локальную сеть. В автомобиле множество функций управления можно условно разделить на две группы:
первая группа обеспечивает надёжное функционирование основных узлов автомобиля, например, электронное управление двигателем и обеспечение безопасности: АБС, подушки безопасности и другие.
ко второй группе относятся различные электронные системы управления, обеспечивающие сервис, комфорт и развлечения пассажиров.
Например, бюджетный авто Пежо-206 содержит 27 контроллеров фирмы NEC .
Современный автомобиль, как и любую компьютерную систему с точки зрения объекта управления, можно представить состоящим из множества аналоговых и цифровых датчиков, набора исполнительных устройств и механизмов. На рис . представлены основные узлы автомобиля, для управления которыми используются автомобильные компьютеры.
Рис. Основные узлы автомобиля, управляемые компьютерами
Например, модель BMV745 использует такой микропроцессор, какPentium4.
Рис. Разрядность встраиваемых микроконтроллеров
Примеры используемых ОС во встраиваемых контроллерах. Наиболее популярным выбором является готовая коммерческая операционная система. В обзоре коммерческих операционных систем в последние годы системаMSEmbedded имела самую большую долю рынка, как видно из рисунка.
Рис. Операционные системы встраиваемых микроконтроллеров
На следующем рис. показаны распространенные языки программирования для разработки встроенных систем и,как видно, семейство языков С используется в большинстве разработок. Как видно из диаграммы находит также использование язык ассемблера для некоторых разработок.
Рис. Языки программирования встроенных микроконтроллеров
Краткая история развития микропроцессорных систем
1970 – Intel4004 - первый 4-битный МП;
1972 – Intel8008 - 8-ми битный;
1973 – Intel 8080 K580 (СССР) - аналог I8080;
Intel8085 - помимоCPUбыли таймеры, контроллер прерываний и пр.;
1976 – Intel 8048 - первый контроллер;
1978 – Intel 8051 - MCS 51 (Micro Computer System)
Середина 90-х – семейства: Intel151 иIntel251 – 8 битные, но адресуемая память: 2 20 и 2 24 .
1976 – I8086/I8088 (PCXT - IBM), К1816 (СССР) –аналог I8086.
EC1840 –CCCP–PCXT
1995 – (embedded) – разработаны однокристальные МК архитектуры Х86: 16- и 32-битные.
Основные требования к контроллерам
Коммерческие : 0 … + 70 0 С;
Расширенные : -40 … +85 0 С;
Военные : -55 … +155 0 С;
Низкая стоимость;
Высокая надежность;
Высокая степень миниатюризации;
Малое энергопотребление;
Работоспособность в различных температурных диапазонах в зависимости от применения:
Достаточная производительность для выполнения наборов функций
Архитектурные признаки контроллеров
Гарвардская архитектура (раздельная память для хранения данных (RAM) – энергозависимая и программ (ПЗУ) – энергонезависимая, сейчас популярнаflash;
Интеграция в одном кристалле всех модулей, необходимых для управляющей ЭВМ;
По разрядности контроллеры бывают:
Четырехразрядные- самые простые и дешевые;
Восьмиразрядные – наиболее многочисленное семейство(оптимальное соотношение цены и возможностей) MCS51
Шестнадцатиразрядные iMCS96 ,i80186(88) и другие, более производительные и дорогие.
32-разрядные – это обычно модификации универсальных МП, например i386, 486 и другие
64-х битные (обработка видео)
8-разрядные МК имеют очень широкое применение в различных АСУТП по следующим причинам:
Основная область применения 8-разрядных МК – устройства интеллектуального управления промышленной автоматики и бытовой аппаратуры. В данных применениях не требуется высокоразрядной арифметической обработки, большой процент логических преобразований, не требуется высокого быстродействия в жестких условиях реального времени. Таким образом, 8-битовые МК имеют свою нишу и в настоящее время широко используются промышленные контроллеры, называемые ПЛК .
Много новых применений, где МП ранее не использовалась, но МК не так заметны широкому кругу потребителей продукции, как ПК, так как они с ним не сталкиваются напрямую
МК также характеризуются двумя видами архитектуры: закрытой и открытой, Закрытая архитектура характеризуется отсутствием линий магистралей данных и адреса на внешних выводах корпуса МК, т.е.внешнее наращивание памяти программ, данных и портов не предполагается.
Режимы работы периферийных модулей контроллера настраиваются программно посредством регистров специальных функций этих модулей (таймеры, КП, АЦП, адаптеры параллельные и последовательные и др.
Режимы работы периферийных модулей современных контроллеров, их конфигурация настраиваются программно посредством загрузки кодов настройки в специальные регистры управления (SFR – special function register ).
Повышение производительности МК в рамках требуемой необходимости ведется в таких направлениях как:
Развитие архитектуры ЦПУ МК, например RISC-архитектура
Повышение тактовой частоты
Специализация команд и периферийных модулей МК
Повышение надежности
Переход на на более низкие уровни напряжения и новые технологии и др.
Широко известными фирмами-производителями МК являются Motorola,Microchip,Philips,Atmel,Simensи,Intel, др. И что очень важно – все это является теперь доступным российским разработчикам систем, примером является присутствие в нашем ВУЗе некоторых из ведущих мировых фирм(Motorola,Philipsи др.) Естественно из-за этого есть и проблемы: что выбрать?
MCS 51 является популярным семейством и ряд фирм выпускают клоны:
Хотите, чтобы в вашем автомобиле кнопка открывания багажника была перенесена из неудобного места под руку, а сиденье двигалось вперед еще на пару сантиметров?
Раньше такое было невозможно - автозаводы очень долго реагировали на желания покупателей. А то и не обращали внимания на просьбы, так как для их выполнения пришлось бы перестраивать весь рабочий процесс.
Однако конструирование машин под индивидуальные потребности заказчиков уже не вчерашний, а сегодняшний день. В автомобильной промышленности все активнее применяется компьютерное моделирование и виртуальные испытания вместо бумажного проектирования и создания физических прототипов, все - от отдельной детали до автомобиля в целом - создается на экране монитора.
Корреспондент "Российской газеты" на собственном опыте убедился в том, что за новыми технологиями для управления жизненным циклом изделия - будущее. И оно уже здесь. Производство гоночных машин для Формулы 1 - один из ярких примеров использования цифровых технологий в автопроме.
Штаб-квартира Red Bull Racing расположена в небольшом английском городке Милтон-Кейнс, где в нескольких корпусах сосредоточены проектный офис, испытательные стенды и производство деталей для болидов.
Снимать на заводе, кстати говоря, было нельзя - многие технологии секретны и даже во время экскурсии скрыты за зеркальными окнами офисных помещений. Даже двери открываются с помощью сканера отпечатков пальцев. Зато можно было спрашивать!
И узнать, например, что в команде работает 700 человек. Что в этом сезоне почти каждые две недели на гонку отправляется около 60 человек и 40 тонн груза. Каждый год, по сути, создается новый болид. Он состоит из 7000 уникальных деталей, при этом за сезон разрабатывается и вносится до 30000 изменений конструкции, а от идеи до рабочего экземпляра проходит всего 5 месяцев.
Сразу возникает вопрос - каким образом достигается такая оперативность? И вот тут как раз наступает время поговорить о цифровом производстве. Например - покраска. Знаете ли вы, что нанесение надписей на корпус болида приводит к тому, что он становится менее обтекаемым, возникают микрозавихрения воздуха, которые снижают скорость и увеличивают расход топлива? Так вот - есть технологии, позволяющие и надпись сделать и "заполировать" ее так, что даже лишнего грамма бензина не израсходуется. И еще один нюанс, связанный с покраской - специалисты Red Bull Racing с помощью программных продуктов Siemens, например, выяснили, что матовая или глянцевая покраска болида, как говорится, на скорость не влияют.
"Старые произведенные процессы недостаточно эффективны, они не справляются с растущей сложностью изделия, и его персонификацией под индивидуальные требования заказчика", - говорит Ян Ларссон, директор направления отраслевого и продуктового маркетинга компании Siemens PLM Software. И продолжает: для этого необходимо сначала создать цифровую модель изделия - от болта до конечного изделия - машины. Нужно организовать процесс сбора отзывов покупателей и оперативной обратной связи с ними.
И в целом использование программных продуктов цифрового производства не так уж и дорого. "Для предприятия малого бизнеса стоимость не превысит нескольких тысяч долларов. Конечно, внедрение цифровых технологий на крупном производстве обойдется дороже, но выигрыш - в повышении его эффективности, реакции на необходимые изменения покроет все затраты", - рассказал Ян Ларссон.
В разговоре с корреспондентом "РГ" он конкретизировал: многие российские предприятия, выпускающие сложную наукоемкую продукцию, активно используют цифровые технологии. В их числе предприятия авиастроения, энергетического машиностроения, автомобилестроения.
При этом параллельная коллективная работа конструкторов и технологов в виртуальной среде позволяет разрабатывать управляющие программы одновременно с тем, как идет проектирование детали. Это максимально сокращает сроки изготовления.
И позволяет быстро внедрять совершенно новые технологии, которые пока работают в автоспорте, но вполне возможно - скоро окажутся и на классических автомобильных производствах.
Компьютерный дизайн и компьютерное производство произвели революцию в проектировании автомобилей, воздушного и наземного транспорта. Раньше проектировщики машин моделировали прототипы из глины, затем тщательно измеряли модель, чтобы получить штамповочные размеры.
В наше время, создавая модель на компьютере, дизайнеры достигают большей точности в проектировании и в производстве, чем когда-либо прежде. Вместо того чтобы помещать глиняные модели в ветряные туннели, чтобы оценить их аэродинамические характеристики, проектировщики могут подвергнуть модель компьютерному тестированию и удостовериться в ее устойчивости. Точно так же прочность машины может быть проверена без затрат на разрушение автомобиля. Компьютеры могут тестировать машины и на такие факторы, как вибрация, теплопроводность, видимость. Даже внутреннее строение машины может быть спроектировано на компьютере, что позволяет достичь более эффективного дизайна двигателя и пассажирского салона.
Дизайн корпуса
Основная роль в дизайне автомобиля принадлежит компьютеру. Графика предоставляет дизайнерам большую подвижность и точность по сравнению со старыми глиняными моделями.
Компьютеризированный дизайн автодвигателя
Терминал автоматизированного проектирования
Компьютер может вычислить и показать поле видимости с места водителя.
Устойчивость машины, экономия горючего и некоторые другие показатели зависят от того, как воздух обтекает корпус машины во время движения. Линии, обозначающие потоки воздуха справа и внизу, показывают области высокого и низкого давления. Чтобы проанализировать сложные водовороты воздушных потоков, требуется суперкомпьютер .
Части и компоненты
После того как разработан внешний стиль машины, необходимо определить место для внутренних узлов и компонентов. Раньше эта задача осуществлялась при помощи двухмерных чертежей, однако компьютер может тестировать различные устройства, передвигать компоненты и исследовать взаимосвязь между ними в трех измерениях.