], область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, систем и машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями. Термин «Мехатроника» (англ. «Mechatronics», нем. «Mechatronik») был введён японской фирмой « Yaskawa Electric Corp. » в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Отметим, что в отечественной технической литературе ещё в 1950-х гг. использовался подобным же образом образованный термин – «механотроны» (электронные лампы с подвижными электродами, которые применялись в качестве датчиков вибраций и т. п.). Мехатронные технологии включают проектно-конструкторские, производственные, информационные и организационно-экономические процессы, которые обеспечивают полный жизненный цикл мехатронных изделий.
Предмет и метод мехатроники
Главная задача мехатроники как направления современной науки и техники состоит в создании конкурентоспособных систем управления движением разнообразных механических объектов и интеллектуальных машин, которые обладают качественно новыми функциями и свойствами. Метод мехатроники заключается (при построении мехатронных систем) в системной интеграции и использовании знаний из ранее обособленных научных и инженерных областей. К их числу относятся прецизионная механика, электротехника, гидравлика, пневматика, информатика, микроэлектроника и компьютерное управление. Мехатронные системы строятся путём синергетической интеграции конструктивных модулей, технологий, энергетических и информационных процессов, начиная со стадии их проектирования и заканчивая производством и эксплуатацией.
В 1970–80-х гг. три базисных направления – оси мехатроники (точная механика, электроника и информатика) интегрировались попарно, образовав три гибридных направления (на рис. 1 показаны боковыми гранями пирамиды). Это электромеханика (объединение механических узлов с электротехническими изделиями и электронными блоками), компьютерные системы управления (аппаратно–программное объединение электронных и управляющих устройств), а также системы автоматизированного проектирования (САПР) механических систем. Затем – уже на стыке гибридных направлений – возникает мехатроника, становление которой как нового научно-технического направления начинается с 1990-х гг.
Элементы мехатронных модулей и машин имеют различную физическую природу (механические преобразователи движений, двигатели, информационные и электронные блоки, управляющие устройства), что определяет междисциплинарную научно-техническую проблематику мехатроники. Междисциплинарные задачи определяют и содержание образовательных программ по подготовке и повышению квалификации специалистов, которые ориентированы на системную интеграцию устройств и процессов в мехатронных системах.
Принципы построения и тенденции развития
Развитие мехатроники является приоритетным направлением современной науки и техники во всём мире. В нашей стране мехатронные технологии как основа построения роботов нового поколения включены в число критических технологий РФ.
К числу актуальных требований к мехатронным модулям и системам нового поколения следует отнести: выполнение качественно новых служебных и функциональных задач; интеллектуальное поведение в изменяющихся и неопределённых внешних средах на основе новых методов управления сложными системами; сверхвысокие скорости для достижения нового уровня производительности технологических комплексов; высокоточные движения с целью реализации новых прецизионных технологий, вплоть до микро- и нанотехнологий; компактность и миниатюризация конструкций на основе применения микромашин; повышение эффективности многокоординатных мехатронных систем на базе новых кинематических структур и конструктивных компоновок.
Построение мехатронных модулей и систем основывается на принципах параллельного проектирования (англ. – concurrent engineering), исключения многоступенчатых преобразований энергии и информации, конструктивного объединения механических узлов с цифровыми электронными блоками и управляющими контроллерами в единые модули.
Ключевым принципом проектирования является переход от сложных механических устройств к комбинированным решениям, основанным на тесном взаимодействии более простых механических элементов с электронными, компьютерными, информационными и интеллектуальными компонентами и технологиями. Компьютерные и интеллектуальные устройства придают мехатронной системе гибкость, поскольку их легко перепрограммировать под новую задачу, и они способны оптимизировать свойства системы при изменяющихся и неопределённых факторах, действующих со стороны внешней среды. Важно отметить, что за последние годы цена таких устройств постоянно снижается при одновременном расширении их функциональных возможностей.
Тенденции развития мехатроники связаны с появлением новых фундаментальных подходов и инженерных методов решения задач технической и технологической интеграции устройств различной физической природы. Компоновка нового поколения сложных мехатронных систем формируется из интеллектуальных модулей («кубиков мехатроники»), объединяющих в одном корпусе исполнительные и интеллектуальные элементы. Управление движением систем осуществляется с помощью информационных сред для поддержки решений мехатронных задач и специального программного обеспечения, реализующего методы компьютерного и интеллектуального управления.
Классификация мехатронных модулей по структурным признакам представлена на рис. 2.
Модуль движения – конструктивно и функционально самостоятельный электромеханический узел, включающий в себя механическую и электрическую (электротехническую) части, который можно использовать как сепаратный блок, так и в различных комбинациях с другими модулями. Главным отличием модуля движения от общепромышленного электропривода является использование вала двигателя в качестве одного из элементов механического преобразователя движения. Примерами модулей движения являются мотор-редуктор, мотор-колесо , мотор-барабан, электрошпиндель станка.
Мотор-редукторы являются исторически первыми по принципу своего построения мехатронными модулями, которые стали серийно выпускать, и до настоящего времени находят широкое применение в приводах различных машин и механизмов. В мотор-редукторе вал является конструктивно единым элементом для двигателя и преобразователя движения, что позволяет исключить традиционную соединительную муфту, добиваясь таким образом компактности; при этом существенно уменьшается количество присоединительных деталей, а также затраты на установку, отладку и запуск. В мотор-редукторах в качестве электродвигателей наиболее часто используют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и регулируемым преобразователем частоты вращения вала, однофазные двигатели и двигатели постоянного тока. В качестве преобразователей движения применяются зубчатые цилиндрические и конические, червячные, планетарные, волновые и винтовые передачи. Для защиты от действия внезапных перегрузок устанавливают ограничители вращающего момента.
Мехатронный модуль движения – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя управляемый двигатель, механическое и информационное устройства (рис. 2). Как следует из данного определения, по сравнению с модулем движения, в состав мехатронного модуля движения дополнительно встроено информационное устройство. Информационное устройство включает датчики сигналов обратных связей, а также электронные блоки для обработки сигналов. Примерами таких датчиков могут служить фотоимпульсные датчики (энкодеры), оптические линейки, вращающиеся трансформаторы, датчики сил и моментов и т. д.
Важным этапом развития мехатронных модулей движения стали разработки модулей типа «двигатель-рабочий орган». Такие конструктивные модули имеют особое значение для технологических мехатронных систем, целью движения которых является реализация целенаправленного воздействия рабочего органа на объект работ. Мехатронные модули движения типа «двигатель-рабочий орган» широко применяют в станках под названием мотор-шпиндели.
Интеллектуальный мехатронный модуль (ИММ) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, построенное путём синергетической интеграции двигательной, механической, информационной, электронной и управляющей частей.
Таким образом, по сравнению с мехатронными модулями движения, в конструкцию ИММ дополнительно встраиваются управляющие и силовые электронные устройства, что придаёт этим модулям интеллектуальные свойства (рис. 2). К группе таких устройств можно отнести цифровые вычислительные устройства (микропроцессоры, сигнальные процессоры и т. п.), электронные силовые преобразователи, устройства сопряжения и связи.
Применение интеллектуальных мехатронных модулей даёт мехатронным системам и комплексам ряд принципиальных преимуществ: способность ИММ выполнять сложные движения самостоятельно, без обращения к верхнему уровню управления, что повышает автономность модулей, гибкость и живучесть мехатронных систем, работающих в изменяющихся и неопределённых условиях внешней среды; упрощение коммуникаций между модулями и центральным устройством управления (вплоть до перехода к беспроводным коммуникациям), что позволяет добиваться повышенной помехозащищённости мехатронной системы и ее способности к быстрой реконфигурации; повышение надёжности и безопасности мехатронных систем благодаря компьютерной диагностике неисправностей и автоматической защите в аварийных и нештатных режимах работы; создание на основе ИММ распределённых систем управления с применением сетевых методов, аппаратно-программных платформ на базе персональных компьютеров и соответствующего программного обеспечения; использование современных методов теории управления (адаптивных, интеллектуальных, оптимальных) непосредственно на исполнительном уровне, что существенно повышает качество процессов управления в конкретных реализациях; интеллектуализация силовых преобразователей, входящих в состав ИММ, для реализации непосредственно в мехатронном модуле интеллектуальных функций по управлению движением, защите модуля в аварийных режимах и диагностики неисправностей; интеллектуализация сенсоров для мехатронных модулей позволяет добиться более высокой точности измерения, программным путём обеспечив в самом сенсорном модуле фильтрацию шумов, калибровку, линеаризацию характеристик вход/выход, компенсацию перекрёстных связей, гистерезиса и дрейфа нуля.
Мехатронные системы
Мехатронные системы и модули вошли как в профессиональную деятельность, так и в повседневную жизнь современного человека. Сегодня они находят широкое применение в самых различных областях: автомобилестроение (автоматические коробки передач, антиблокировочные устройства тормозов, приводные модули «мотор-колесо», системы автоматической парковки); промышленная и сервисная робототехника (мобильные, медицинские, домашние и другие роботы); периферийные устройства компьютеров и офисная техника: принтеры, сканеры, CD-дисководы, копировальные и факсимильные аппараты; производственное, технологическое и измерительное оборудование; домашняя бытовая техника: стиральные, швейные, посудомоечные машины и автономные пылесосы; медицинские системы (например, оборудование для робото-ассистированной хирургии, коляски и протезы для инвалидов) и спортивные тренажёры; авиационная, космическая и военная техника; микросистемы для медицины и биотехнологии; лифтовое и складское оборудование, автоматические двери в отелях аэропортах, вагонах метро и поездов; транспортные устройства (электромобили, электровелосипеды, инвалидные коляски); фото- и видеотехника (проигрыватели видеодисков, устройства фокусировки видеокамер); движущиеся устройства для шоу-индустрии.
Выбор кинематической структуры является важнейшей задачей при концептуальном проектировании машин нового поколения. Эффективность её решения во многом определяет главные технические характеристики системы, её динамические, скоростные и точностные параметры.
Именно мехатроника дала новые идеи и методы для проектирования движущихся систем с качественно новыми свойствами. Эффективным примером такого решения стало создание машин с параллельной кинематикой (МПК) (рис. 3).
В основе их конструктивной схемы лежит обычно платформа Гью-Стюарта (разновидность параллельного манипулятора, имеющая 6 степеней свободы; используется октаэдральная компоновка стоек). Машина состоит из неподвижного основания и подвижной платформы, которые соединены между собой несколькими стержнями с управляемой длиной. Стержни соединены с основанием и платформой кинематическими парами, которые имеют соответственно две и три степени подвижности. На подвижной платформе устанавливается рабочий орган (например, инструментальная или измерительная головка). Программно регулируя длины стержней с помощью приводов линейного перемещения, можно управлять перемещениями и ориентацией подвижной платформы и рабочего органа в пространстве. Для универсальных машин, где требуется перемещение рабочего органа как твёрдого тела по шести степеням свободы, необходимо иметь шесть стержней. В мировой литературе такие машины называются «гексаподы» (от греч. ἔ ξ – шесть).
Основными преимуществами машин с параллельной кинематикой являются: высокая точность исполнения движений; высокие скорости и ускорения рабочего органа; отсутствие традиционных направляющих и станины (в качестве несущих элементов конструкции используются приводные механизмы), отсюда и улучшенные массогабаритные параметры, и низкая материалоёмкость; высокая степень унификации мехатронных узлов, обеспечивающая технологичность изготовления и сборки машины и конструктивную гибкость.
Повышенные точностные показатели МПК обусловлены следующими ключевыми факторами:
в гексаподах, в отличие от кинематических схем с последовательной цепью звеньев, не происходит суперпозиции (наложения) погрешностей позиционирования звеньев при переходе от базы к рабочему органу;
стержневые механизмы обладают высокой жесткостью, так как стержни не подвержены изгибающим моментам и работают только на растяжение-сжатие;
применяются прецизионные датчики обратной связи и измерительные системы (например, лазерные), а также используются компьютерные методы коррекции перемещений рабочего органа.
Благодаря повышенной точности МПК могут применяться не только как обрабатывающее оборудование, но и в качестве измерительных машин. Высокая жёсткость МПК позволяет применять их на силовых технологических операциях. Так, на рис. 4 показан пример гексапода, выполняющего гибочные операции в составе технологического комплекса «HexaBend» для производства сложных профилей и труб.
Компьютерное и интеллектуальное управление в мехатронике
Применение ЭВМ и микроконтроллеров, реализующих компьютерное управление движением разнообразных объектов, является характерной особенностью мехатронных устройств и систем. Сигналы от разнообразных датчиков, несущие информацию о состоянии компонентов мехатронной системы и приложенных к этой системе воздействий, поступают в управляющую ЭВМ. Компьютер перерабатывает информацию в соответствии с заложенными в него алгоритмами цифрового управления и формирует управляющие воздействия на исполнительные элементы системы.
Компьютеру отводится ведущая роль в мехатронной системе, поскольку компьютерное управление даёт возможность достичь высокой точности и производительности, реализовать сложные и эффективные алгоритмы управления, учитывающие нелинейные характеристики объектов управления, изменения их параметров и влияние внешних факторов. Благодаря этому мехатронные системы приобретают новые качества при увеличении долговечности и снижении размеров, массы и стоимости таких систем. Достижение нового, более высокого уровня качества систем благодаря возможности реализации высокоэффективных и сложных законов компьютерного управления позволяет говорить о мехатронике как о возникающей компьютерной парадигме современного развития технической кибернетики.
Характерным примером мехатронной системы с компьютерным управлением является прецизионный следящий привод на основе бесконтактной многофазной электрической машины переменного тока с векторным управлением. Наличие группы датчиков, в том числе высокоточного датчика положения вала двигателя, цифровых методов обработки информации, компьютерной реализации законов управления, преобразований, основанных на использовании математической модели электрической машины, и быстродействующего контроллера позволяет построить прецизионный быстродействующий привод, обладающий сроком службы до 30–50 тысяч часов и более.
Компьютерное управление оказывается весьма эффективным при построении многокоординатных нелинейных мехатронных систем. В этом случае ЭВМ анализирует данные о состоянии всех компонентов и внешних воздействиях, производит вычисления и формирует управляющие воздействия на исполнительные компоненты системы с учётом особенностей её математической модели. В результате достигается высокое качество управления согласованным многокоординатным движением, например, рабочего органа мехатронной технологической машины или мобильного робота.
Особую роль в мехатронике играет интеллектуальное управление, которое является более высокой ступенью развития компьютерного управления и реализует различные технологии искусственного интеллекта. Они дают возможность мехатронной системе воспроизводить в той или иной мере интеллектуальные способности человека и на этой основе принимать решения о рациональных действиях для достижения цели управления. Наиболее эффективными технологиями интеллектуального управления в мехатронике являются технологии нечёткой логики, искусственных нейронных сетей и экспертных систем.
Применение интеллектуального управления даёт возможность обеспечить высокую эффективность функционирования мехатронных систем при отсутствии подробной математической модели объекта управления, при действии различных неопределённых факторов и при опасности возникновения непредвиденных ситуаций в работе системы.
Преимущество интеллектуального управления мехатронными системами состоит и в том, что часто для построения таких систем не требуются их подробная математическая модель и знание законов изменения действующих на них внешних воздействий, а управление строится на основе опыта действий высококвалифицированных специалистов-экспертов.
Слово «мехатроника» образовано из двух слов - «механика» и «электроника». Этот термин в 1969 году предложил старший разработчик фирмы Yaskawa Electric, японец по имени Тецуро Мори. В 20 веке компания Yaskawa Electric специализировалась на разработке и совершенствовании электроприводов и электродвигателей постоянного тока, в связи с чем достигла больших успехов на данном направлении, например первый двигатель постоянного тока с дисковым якорем был разработан именно там.
Далее последовали разработки, касаемые первых аппаратных систем ЧПУ. А в 1972 году здесь же был зарегистрирован бренд «Мехатроника». Вскоре компания сильно преуспела в развитии техники электропривода. Позже от слова «Мехатроника», как от торговой марки, в компании решили отказаться, поскольку термин получил очень широкое распространение как в Японии, так и по всему миру.
В любом случае, именно Япония является родиной наиболее активного становления такого подхода в технике, когда для реализации высокоточного управления электроприводом стало необходимым объединить механические элементы, электрические машины, силовую электронику, микропроцессоры и ПО.
Распространенным графическим символом мехатроники стала диаграмма с вебсайта RPI (Rensselaer Polytechnic Institute, NY,USA):
Мехатроника - это компьютерное управление движением.
Цель мехатроники - создание качественно новых модулей движения, мехтронных модулей движения, интеллектуальных мехатронных модулей, а на их основе - движущихся интеллектуальных машин и систем.
Исторически мехатроника развилась из электромеханики и, опираясь на ее достижения, идет дальше путем системного объединения электромеханических систем с компьютерными устройствами управления, встроенными датчиками и интерфейсами.
Электронные, цифровые, механические, электротехнические, гидравлические, пневматические и информационные элементы - могут входить в состав мехатронной системы, как изначально элементы разной физической природы, однако собранные вместе для получения от системы качественно нового результата, которого невозможно было бы достичь от каждого элемента как от отдельного исполнителя.
Отдельный шпиндельный двигатель не сможет сам выдвинуть лоток DVD-плеера, но под управлением схемы с ПО на микроконтроллере, да будучи правильно соединенным с винтовой передачей - все легко получится, и выглядеть будет так, словно это - простая монолитная система. Тем не менее, несмотря на внешнюю простоту, одна мехатронная система по определению включает в себя несколько мехатронных узлов и модулей, связанных друг с другом, и совместно взаимодействующих для выполнения конкретных функциональных действий, для решения какой-то определенной задачи.
Один мехатронный модуль - это самостоятельное изделие (конструктивно и функционально), предназначенное для осуществления движений с взаимопроникновением и одновременной целенаправленной аппаратно-программной интеграцией его составляющих.
Типичная мехатронная система представляет собой объединенные друг с другом электромеханические компоненты и компоненты силовой электроники, которые в свою очередь управляются ПК или микроконтроллерами.
При проектировании и построении такой мехатронной системы, стараются избежать лишних узлов и интерфейсов, стремятся сделать все лаконично и как можно более цельно, не только для того чтобы улучшить массо-габаритные характеристики устройства, но и для повышения надежности системы в целом.
Иногда инженерам приходится непросто, они вынуждены находить очень необычные решения именно в силу того, что разные узлы находятся в разных рабочих условиях, делают совершенно разное. Например, кое-где обычный подшипник не подойдет, и его заменяют на электромагнитный подвес (так сделано, в частности, в турбинах, качающих газ по трубам, поскольку обычный подшипник быстро вышел бы здесь из строя из-за проникновения в его смазку газа).
Так или иначе, сегодня мехатроника проникла всюду, начиная от бытовой техники, заканчивая строительной робототехникой, оружием и космической авиацией. Все станки с ЧПУ, жесткие диски, электрические замки, система АБС в вашем автомобиле и т. д. - везде мехатроника оказывается не просто полезной, а необходимой. Уже редко где можно встретить ручное управление, все идет к тому, что нажал на кнопку без фиксации или просто дотронулся до сенсора - получил результат - вот, пожалуй, самый примитивный пример того, что сегодня представляет собой мехатроника.
Схема иерархии уровней интеграции в мехатронике
Первый уровень интеграции образуют мехатронные устройства и их элементы. Второй уровень интеграции образуют интегрированные мехатронные модули. Третий уровень интеграции образуют интеграционные мехатронные машины. Четвертый уровень интеграции образуют комплексы мехатронных машин. Пятый уровень интеграции образуют на единой интеграционной платформе комплексы мехатронных машин и роботы, которые предполагают формирование реконфигурируемых гибких производственных систем.
Сегодня мехатронные модули и системы находят широкое применение в следующих областях:
станкостроение и оборудование для автоматизации, технологических процессов в машиностроении;
промышленная и специальная робототехника;
авиационная и космическая техника;
военная техника, машины для полиции и спецслужб;
электронное машиностроение и оборудование для быстрого прототипирования;
автомобилестроение (приводные модули «мотор-колесо», антиблокировочные устройства тормозов, автоматические коробки передач, системы автоматической парковки);
нетрадиционные транспортные средства (электромобили, электровелосипеды, инвалидные коляски);
офисная техника (например, копировальные и факсимильные аппараты);
периферийные устройства компьютеров (например, принтеры, плоттеры, дисководы CD-ROM);
медицинское и спортивное оборудование (биоэлектрические и экзоскелетные протезы для инвалидов, тонусные тренажеры, управляемые диагностические капсулы, массажеры и т. д.);
бытовая техника (стиральные, швейные, посудомоечные машины, автономные пылесосы);
микромашины (для медицины, биотехнологии, средств связи и телекоммуникации);
контрольно-измерительные устройства и машины;
лифтовое и складское оборудование, автоматические двери в отелях и аэропортах; фото- и видеотехника (проигрыватели видеодисков, устройства фокусировки видеокамер);
тренажеры для подготовки операторов сложных технических систем и пилотов;
железнодорожный транспорт (системы контроля и стабилизации движения поездов);
интеллектуальные машины для пищевой и мясомолочной промышленности;
полиграфические машины;
интеллектуальные устройства для шоу-индустрии, аттракционы.
Соответственно возрастает потребность в кадрах, владеющих мехатронными технологиями.
Сейчас автомобили снабжаются разными типами коробок. Времена, когда на машины устанавливалась только «механика», давно прошли. Сейчас больше половины современных авто оснащаются другими типам КПП. Даже отечественные производители стали потихоньку переходить на АКПП. Концерн «Ауди-Фольксваген» почти 10 лет назад представил новую трансмиссию - DSG. Что это за коробка? Каково ее устройство? Есть ли проблемы при эксплуатации? Обо всем этом и не только - далее в нашей статье.
Характеристика DSG
Что это за коробка? DSG представляет собой трансмиссию прямого переключения.
Она оснащена автоматическим приводом переключения скоростей. Одна из особенностей DSG "мехатроник" - наличие двух сцеплений.
Конструкция
Данная трансмиссия соединяется с мотором через два соосно расположенных диска сцепления. Один отвечает за четные передачи, а второй - за нечетные и заднюю скорость. Благодаря такому устройству машина едет более размеренно. Коробка осуществляет плавное переключение ступеней. Как работает автомат DSG? Возьмем пример. Машина едет на первой передаче. Когда ее шестерни вращаются и передают крутящий момент, вторая скорость уже находится в зацеплении. Вращается она вхолостую. Когда автомобиль переключается на следующую ступень, срабатывает электронный блок управления. В это время гидравлический привод трансмиссии отпускает первый и окончательно замыкает второй. Крутящий момент плавно переходит от одной шестерни на другую. И так до шестой или седьмой передачи. Когда автомобиль наберет достаточно высокую скорость, коробка переключится на последнюю ступень.
При этом шестерни предпоследней, то есть шестой или пятой передачи, будут в «холостом» зацеплении. При снижении скорости диски сцепления роботизированной коробки отключат последнюю ступень и перейдут в контакт с предпоследней шестерней. Таким образом, двигатель находится в постоянном контакте с коробкой. В это же время «механика» путем нажатия педали отводит диск сцепления, и трансмиссия больше не контактирует с двигателем. Здесь при наличии двух дисков передача крутящего момента производится плавно и без разрыва мощности.
Преимущества
В отличие от обычного автомата, роботизированная DSG АКПП требует меньшей нагрузки, за счет чего снижается расход топлива. Также, в отличие от простой АКПП, снижается время между Все благодаря наличию двух сцеплений. Кроме этого, водитель самостоятельно может перейти в режим «типтроник» и механически управлять переключением скоростей. Функцию педали сцепления будет выполнять электроника. Сейчас на автомобили «Шкода», «Ауди» и «Фольксваген» устанавливается система ECT, которая не только управляет переключением передач, но и контролирует открытие дроссельной заслонки. Таким образом, при езде создается чувство, что вы едете на одной передаче. Также электроника считывает множество других данных, в том числе и температуру двигателя. Производитель заявляет, что использование системы ECT позволяет увеличить ресурс работы роботизированной КПП и двигателя на 20 процентов.
Еще один плюс - возможность выбора режима работы трансмиссии. Их три: зимний, экономичный и спортивный. Что касается последнего, электроника меняет момент переключения передач на более поздний. Так увеличивается Но расход топлива при этом тоже становится больше.
Проблемы и неисправности трансмиссии
Так как роботизированная DSG коробка передач являет собой сложное электромеханическое устройство, она подвержена разным поломкам. Давайте рассмотрим их. Итак, самая первая проблема - это сцепление. Здесь стоит отметить износ корзины и ведомого диска, а также повышенную нагрузку на выжимной подшипник. Признак неисправности этих механизмов - пробуксовка сцепления. В результате теряется крутящий момент и ухудшается динамика разгона автомобиля.
Возникает аварийный режим Что это значит? Появляется лампочка на панели приборов, машина начинает дергаться и плохо стартовать с места.
Акутаторы
Проблемы DSG касаются и акутаторов. Это электромеханический привод переключения передач и сцепления. При частой эксплуатации и большом пробеге изнашиваются так называемые «щетки». Не исключен обрыв цепи электрического двигателя. Признак неисправности акутаторов - резкий старт и «дергание» автомобиля. Также данный симптом возникает при неправильных настройках сцепления. Поэтому нужно производить компьютерную диагностику. У каждой марки автомобиля свои коды неисправностей.
О 7-ступенчатых DSG
Что это за коробка, мы уже знаем. Принципиальных отличий в работе шести- и семиступенчатых «роботов» нет.
Но статистика говорит, что именно такие коробки наиболее подвержены поломкам. Если отдельно рассматривать семиступенчатый «робот», стоит отметить проблему блока управления «мехатроник» и сцепления сухого типа. Последнее подвержено сильному износу, особенно при переходе на повышенную или В результате оно изнашивается и коробка встает в «аварийный режим». Возникают пробуксовки, проблемы при старте с места и переключении скоростей. Сам производитель «Фольксваген» дает гарантийный срок 5 лет. За это время больше половины автомобилей с такой коробкой требуют замены сцепления. В этом и заключается вся проблема данной трансмиссии. Поэтому если автомобилю больше пяти лет, вся ответственность полностью ложится на плечи автовладельца. И он уже за свои деньги будет менять все узлы в данной коробке.
Мехатроник
Проблемы существуют не только с механической, но и электрической частью, а именно блоком управления. Данный элемент устанавливается в самой трансмиссии. Так как она постоянно подвергается нагрузкам, температура внутри узла возрастает.
Из-за этого выгорают контакты блока, нарушается исправность клапанов и датчиков. Также происходит засор каналов гидроблока. Сами датчики буквально магнитят на себя продукты износа коробки - мелкую металлическую стружку. В результате нарушается работа электрогидравлического блока управления. Машина начинает пробуксовывать, плохо едет, вплоть до полной остановки и прекращения работы агрегатов. Также следует отметить проблему износа вилки сцепления. В результате коробка не может включить одну из передач. Возникает гул при движении. Это происходит из-за износа Данная коробка передач устанавливается на автомобили разного сегмента. Но даже на дорогих машинах не исключены данные неисправности, хотя ее узлы рассчитаны на больший ресурс и нагрузки.
Как продлить срок эксплуатации?
Ввиду частых обращений в дилерские центры, сам концерн начал советовать автовладельцам, как продлить срок службы коробки.
Чтобы элементы трансмиссии подвергались меньшим нагрузкам, при остановке свыше пяти секунд производитель рекомендует переводить селектор КПП в нейтральное положение.
Заключение
Итак, мы выяснили, что собой представляет Как видите, несмотря на многие преимущества, она имеет множество проблем. Поэтому ездить на таких автомобилях разумно только в случае, если она находится на гарантийном сроке. Приобретать такие автомобили на вторичном рынке, если им больше 5 лет, автолюбители не советуют. Надежность этих коробок под большим вопросом.
Современную жизнь невозможно представить без автомобилей, а движение в городском режиме должно происходить максимально комфортно для водителя. Удобство управления автомобилем обеспечивается при помощи различных трансмиссий (АКПП, роботизированной КПП).
Значительной популярностью пользуется роботизированная коробка из-за плавности движения и экономичного расхода топлива, наличия ручного режима, позволяющего подстроить манеру вождения под нужды водителя.
Принцип работы КПП ДСГ
DSG – механическая КПП, оснащенная автоматическим приводом для смены ступеней, и имеющая в составе две корзины сцепления.
Коробка ДСГ связана с двигателем через два сцепления, располагающихся поосно. Нечетные и задняя ступени функционируют через одно сцепление, а четные – через другое. Такое устройство обеспечивает плавную смену ступеней без снижения и прерывания мощности, осуществляя непрерывную передачу вращающего момента от мотора к ведущей оси колес.
Во время разгона на первой ступени, шестеренки второй передачи уже находятся в зацеплении. Когда блок управления передает команду смены ступеней, гидравлические приводы КПП осуществляют отпускание одного сцепления и зажим второго, производя переход вращающего момента от мотора с одной ступени на другую.
Таким образом, процесс происходит до крайней ступени. При снижении скорости и изменении других условий процедура осуществляется в обратном порядке. Смена ступеней происходит с помощью синхронизаторов.
Смена ступеней в коробке ДСГ осуществляется с высокой скоростью, недоступной даже профессиональным гонщикам.
Что такое мехатроник в АКПП
Управление обоими сцеплениями и сменой ступеней происходит при помощи блока управления, состоящего из гидравлического и электронного узлов, датчиков. Этот блок называется Мехатроник и располагается в картере КПП.
Датчики встроенные в Мехатроник, осуществляют контроль состояния КПП и отслеживают работу основных деталей и узлов.
Параметры, контролируемые датчиками Мехатроника:
- количество оборотов на входе и выходе коробки;
- давление масла;
- уровень масла;
- температура рабочей жидкости;
- расположение вилок включения ступеней.
На последних моделях коробок ДСГ устанавливается ЕСТ (электронная система, управляющая сменой ступеней).
Помимо вышеперечисленных параметров ЕСТ контролирует:
- скорость транспортного средства;
- степень открытия дросселя;
- температуру мотора.
Считывание этих параметров продляет срок службы КПП и двигателя.
Виды трансмиссии прямого переключения
В настоящий момент существует две разновидности коробок ДСГ:
- шестиступенчатая (DSG-6);
- семиступенчатая (DSG-7).
DSG 6
Первой преселективной (роботизированной) КПП являлась шестиступенчатая DSG, которая была разработана в 2003г.
Конструкция DSG-6:
- два сцепления;
- два ряда ступеней;
- картер;
- Мехатроник;
- дифференциал КПП;
- главная передача.
В DSG-6 используется два сцепления мокрого типа, которые неизменно находятся в трансмиссионной жидкости, обеспечивающей смазывание механизмов и охлаждение дисков сцепления, тем самым продляя эксплуатационный период КПП.
Два сцепления передают вращающий момент на ряды ступеней коробки. Ведущий диск КПП соединяется с муфтами маховиком специальной ступицы, объединяющей ступени.
Основные компоненты Мехатроника (электрогидравлического модуля), расположенного в корпусе КПП:
- золотники распределения КПП;
- мультиплексор, вырабатывающий управляющие команды;
- электромагнитные и регулировочные клапана КПП.
При изменении положения селектора включаются распределители КПП. Ступени изменяются при помощи электромагнитных клапанов, а корректирование положения фрикционных муфт происходит при помощи клапанов давления. Эти клапаны являются «сердцем» КПП, а Мехатроник – «мозгом».
Мультиплексор КПП осуществляет управление гидравлическими цилиндрами, которых в такой КПП 8 штук, но одновременно функционирует не более 4-х клапанов КПП. В различных режимах КПП работают разные цилиндры, в зависимости от необходимой ступени.
Передачи в DSG-6 сменяются циклически. Одновременно задействованы два ряда ступеней, только один из них не используется – находится в режиме ожидания. При изменении передаточного момента сразу задействуется второй ряд, переходя в активный режим. Такой механизм функционирования КПП обеспечивает смену передач менее чем за доли секунды, движение транспорта при этом происходит плавно и равномерно, без медлительности и рывков.
DSG-6 является более мощной роботизированной КПП. Крутящий момент мотора автомобиля с такой КПП порядка 350 Нм. Весит такая коробка под 100 килограмм. Трансмиссионного масла для DSG-6 требуется более 6 литров.
На данный момент DSG-6 в основном устанавливается на следующие транспортные средства:
- Seat (Alhambra, Toledo);
- Skoda (Octavia, SuperB);
- Audi (TT, Q3, А3);
Коробки ДСГ оснащаются Типтроником, осуществляющим перевод коробки в режим ручного управления.
DSG 7
DSG-7 была разработана в 2006 году специально для автомобилей эконом-класса. Коробка DSG весит 70-75 кг. и содержит объем масла менее 2-х литров. Данная КПП устанавливается на бюджетные машины с крутящим моментом двигателя не более 250 Нм.
На сегодняшний момент DSG-7 в основном устанавливается на следующие автомобили:
- Audi (TT, Q3, А3);
- Seat (Leon, Ibiza, Altea);
- Skoda (Octavia, Fabia, SuperB);
- Volkswagen (Tiguan, Golf, Jetta, Passat).
Основным отличием ДСГ-7 от ДСГ-6 является присутствие 2-х сухих дисков сцепления, не находящихся в трансмиссионной жидкости. Такие изменения позволили уменьшить расход топлива, снизить стоимость сервисного обслуживания.
Достоинства и недостатки роботизированной АКПП
Роботизированная КПП имеет свои достоинства и недостатки в сравнении с другими трансмиссиями.
Достоинства коробки ДСГ:
- уменьшенный расход топливной смеси (до 10-20%);
- возможность ручного управления, похожее на ;
- отсутствие потери мощности при смене ступеней;
- плавность движения автомобиля;
- высокие динамические характеристики автомобиля, оснащенного коробки ДСГ;
- уменьшение времени, необходимого для разгона;
- возможность автоматического и ручного выбора передач;
- комфортное управление автомобилем, оснащенного такой КПП;
- отсутствие педали сцепления и привычный рычаг селектора, что не вызывает сложностей при переходе с автомобиля с классической ;
Недостатки коробки ДСГ:
- высокая стоимость автомобиля с ДСГ по сравнению с машинами, оборудованными другими видами трансмиссий;
- эпизодически робот подтормаживает и не успевает за динамичным разгоном автомобиля, осуществляя смены ступеней с небольшой задержкой;
- мехатроник является одним из слабых мест в коробке ДСГ, периодически возникает неисправности в этом блоке;
- при возникновении неисправности в мехатронике требуется его замена, так как он не подлежит ремонту;
- уменьшенный ресурс КПП;
- неисправности мехатроника способствуют частые перепады температур, что особенно актуально в зимнее время;
- срок службы ДСГ-7 и ее компонентов заметно меньше, чем в ДСГ-6;
- повышенный нагрев коробки из-за непрерывной активности преселектора;
- увеличение стоимости обслуживания роботизированной КПП;
- сложность ремонта роботизированной коробки, который могут осуществить не многие СТО;
- не устанавливается на внедорожники и другие мощные автомобили;
- дороговизна ремонта, в некоторых случаях приходится полностью менять DSG.
- своевременное техническое обслуживание КПП ДСГ (замена трансмиссионной жидкости по регламенту – не более 60000 километров, устранение неисправностей);
- прогревание роботизированной КПП путем кратковременного нахождения автомобиля после запуска в стоящем положении;
- плавность движения после прогрева на протяжении 1-5 километров с момента начала движения;
- избегание пробуксовывания колес;
- при остановках более 1 минуты рекомендуется переводить селектор коробки ДСГ в режим нейтрали;
- при вождении по снегу и льду рекомендовано включение режима «снежинка», при его наличии;
- при динамичной езде и быстрых разгонах желательно переводить рычаг селектора в положение «спорт»;
- при прохождении каждого технического обслуживания необходимо проводить диагностику коробки ДСГ и производить инициализацию;
- педаль акселератора необходимо выжимать плавно, даже на ручном режиме;
- разгон желательно осуществлять в ручном режиме, а плавную езду и торможение – в автоматическом;
- постановка автомобиля с коробки ДСГ на стоянку в положении селектора «нейтраль» с обязательным включением стояночного тормоза (ручника).
Роботизированная коробка является, по сути, усовершенствованной МКПП, переключение ступеней в которой происходит при помощи мехатроника на основании различных параметров, считываемых датчиками. При соблюдении определенных рекомендаций можно существенно продлить срок службы роботизированной коробки.
ХХ век был очень плодотворным на возникновение новых наук, одной из которых является мехатроника. Кем работать после освоения данной дисциплины? Что она представляет собой и чем занимается? Насколько она важна в современной жизни? Какие она открывает нам перспективы? Кем работают люди, которые изучают данную дисциплину в университетах и самостоятельно? Вот неполный список вопросов, на которые будет дан ответ в статье.
Что такое мехатроника?
Данный термин был получен при соединении слов «механика» и «электроника». Впервые он был применён в 1969 году. На данный момент времени мехатроника - это наука, которая посвящена созданию и целенаправленной эксплуатации машин и систем, движение которых определяется электронно-вычислительной техникой. Она базируется на знаниях механики, информатики, электроники и компьютерном управлении движения агрегатов и машин. Изучить основы мехатроники можно при желании, поскольку научно-образовательной литературы по этому направлению достаточно. Для большего придётся приложить значительные усилия, чтобы найти необходимый материал. Хотя можно, теоретически, и самому додуматься, что представляет собой мехатроника. Что это такое мы уже выяснили, давайте перейдём к отдельным аспектам.
Связь с робототехникой
Очень часто их можно встретить вместе. Почему так? Дело в том, что робототехника - это самое перспективное направление мехатроники, которое может развиваться исключительно в её рамках. Здесь необходимо сделать небольшое отступление. Дело в том, что сейчас мехатроника занимается автомобильной, авиационной, космической, бытовой, медицинской и спортивной техникой. Но чтобы изготавливать предметы этого типа существуют отдельные специальности. И специально, чтобы акцентировать внимание на том, что студенты будут заниматься проектированием роботов, станков с численно-программным управлением и подобных устройств, а также их созданием, направление подготовки и называется «мехатроника и робототехника».
Общее описание практической составляющей
Что нам даёт мехатроника? Что это такое с точки зрения практики создания? Давайте рассмотрим общую схему построения машин, которые имеют компьютерное управление и ориентированы на то, чтобы автоматизировать производственные и бытовые задачи. Внешней средой для них является технологическое окружение, с которым будет происходить взаимодействие. Когда мехатронная система выполняет свои функции, то это происходит благодаря рабочим органам. Следует отметить, что данное научное направление является довольно молодым, в нём много неточностей и расплывчатых формулировок даже в научной литературе, поэтому со временем некоторые теоретические принципы могут поменяться. Мехатронные системы формируются из трех частей, которые связаны между собой информационными и энергетическими потоками:
- Электромеханической. Сюда относят механические звенья, передачи, электродвигатели, сенсоры, рабочий орган, дополнительные электротехнические элементы, сенсоры. Все составляющие применяются для того, чтобы обеспечить необходимые движения. Особую важность для корректного выполнения поставленных задач имеют сенсоры. Они собирают данные про состояние объекта работ и внешней среды, непосредственно мехатронного устройства и его составляющих.
- Электронный. Сюда относят микроэлектронные устройства, силовые преобразователи и измерительные цепи.
- Компьютерной. Сюда относятся микроконтроллеры и высшего уровня.
Основные функции мехатронных систем
На данный момент времени их выделяют 4:
- Управление процессом механического движения в режиме реального времени с одновременной обработкой информации, что поступают с их сенсоров.
- Соорганизация своих действий с внешними источниками влияния.
- Взаимодействие с человеком посредством специального интерфейса в или в реальном времени.
- Организация обмена данными между сенсорами, и другими составляющими элементами системы.
Задача мехатроники
Они должна решать проблему преобразования входной информации, что поступает с верхнего уровня управления в необходимые При этом, как правило, используется принцип обратной связи. В проектировании эта задача выражается в том, что происходит интеграция в один функциональный модуль нескольких элементов, что имеют разную природу - в этом специфичность, которую имеет мехатроника. Специальность людей, которые занимаются выполнением данных целей может быть самой разной. В идеале при предоставлении планируемой информации будет получаться желаемый результат. Помочь в этой аппаратной составляющей должно программное обеспечение.
Преимущество мехатронного подхода при решении реальных задач
Сравнение будет проводиться с традиционными средствами автоматизации:
- Относительно низкая стоимость систем, что достигается благодаря значительной интеграции, стандартизации и унификации всех составляющих интерфейсов и элементов.
- Возможность реализации точных и сложных движений благодаря методам интеллектуального управления.
- Высокий уровень надежности, долговечности и помехозащищенности.
- Компактность используемых модулей, что позволяет обходиться меньшей площадью. Также их можно относительно легко совмещать для достижения возможности выполнения конкретных задач.
- Благодаря упрощению кинематических цепей машины обладают хорошими динамическими и массогабаритными характеристиками.
Вот благодаря чему развивается мехатроника и робототехника. Специальность в данном случае позволяет получить уже отобранные и готовые у изучению данные, тогда как при самообразовании придётся всё искать самому.
Примеры мехатроники в реальной жизни
Где можно найти подобные системы около нас? Для этого предлагаю взглянуть на такие области людской деятельности:
- Станкостроение и изготовление оборудования для проведения автоматизации технологических процессов.
- Робототехника.
- Военная, космическая и
- Автомобилестроение (так, мехатронными системами является стабилизация движения, автоматическая парковка и подобные разработки).
- Различные нестандартные средства передвижения и транспортировки (электророллеры, грузовые тележки, электровелосипеды).
- Контрольно-измерительные машины и устройства.
- Офисная техника (факсимильные и копировальные аппараты).
- Медицинское оборудование (реанимационное, реабилитационное, клиническое).
- Бытовая техника (швейные, посудомоечные, стиральные и иные машины подобного типа).
- Тренажеры для подготовки операторов, водителей, пилотов.
- Системы светового и звукового оформления.
- Микромашины (активно применяются в медицине, биотехнологиях, средствах телекоммуникации).
Продолжать этот список можно ещё очень долго.
Высшее образование: мехатроника и робототехника
Вузы предлагают возможность обучения широкому спектру профессиональных умений. Этот список может быть очень длинным, но постараемся сделать его как можно короче:
- Проводить оценку актуальности, перспективности и значимости проектов.
- Разрабатывать информационные, электромеханические, электрогидравлические, электронные и микропроцессорные макеты модулей систем.
- Создавать программное обеспечение, чтобы при необходимости осуществлять управление мехатронными приборами.
- Составлять проектные документы, в которых будет описываться конструкция и процесс изготовления отдельных деталей.
- Контролировать разработки на предмет соответствия стандартам.
- Изготавливать, собирать и испытывать проектируемую технику.
- Составлять патентные и лицензионные паспорта.
- Делать модернизацию и отладку мехатронных систем.
- Подготавливают инструкцию по использованию устройства.
Вот что может предоставить своим студентам любой лицензированный министерством образования факультет мехатроники и робототехники. Их мало, в основном существуют отдельные кафедры, но и на них можно получить необходимое образование.
Самореализация человека, которому известна мехатроника и робототехника: кем работать?
Где можно будет трудоустроиться после получения образования? Специалисты данного профиля создают и конструируют робототехнические системы промышленного и бытового использования. Также они могут разрабатывать программное обеспечение, чтобы обеспечить управление ими и удобную эксплуатациею. После получения образования обычно начинают работать на должности помощников конструкторов, программистов и техников, хотя перспективы дальнейшего места работы очень широкие, ведь облегчение труда человека и улучшение его результата - вот конечная задача, которую имеет мехатроника. Что это такое, мы уже изучили. И напоследок хотим сообщить, что потенциально можно будет заниматься одним из таких видов деятельности:
- Научно-исследовательской.
- Проектно-конструкторской.
- Эксплуатационной.
- Организационно-управленческой.
Особенностью данной специальности является то, что ощущается значительная нехватка кадров. Поэтому не редкостью являются факты трудоустройства даже самоучек, которые смогли продемонстрировать значительный уровень умений и практических навыков.
Заключение
Все профессии важны, все они нужны. Не преувеличивая, можно сказать, что описанная нами - одна из специальностей будущего. Спрос на работников умственного труда такого профиля постоянно растёт. Этот факт, а также хороший уровень денежного обеспечения позволяет говорить нам о том, что в это направление станет значительно популярней в ближайших десятилетиях. Возможно, что специальности юристов, экономистов и управленцев отойдут на задний план, и вперёд выйдет мехатроника. Что это такое, мы уже знаем, а с пониманием важности данной научной дисциплины будет приходить и согласие с данными словами.
