Помехоустойчивый подвижный датчик износа тормозных накладок автомобиля

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЙ ПОДВИЖНЫЙ ДАТЧИК ИЗНОСА ТОРМОЗНЫХ НАКЛАДОК АВТОМОБИЛЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Помехоустойчивый подвижный датчик износа тормозных накладок автомобиля, содержащий пластмассовый корпус, расположенный на тормозной накладке перпендикулярно ее рабочей поверхности, чувствительную к износу этой тормозной накладки механоэлектронную систему, выполненную с функцией генерации частотного сигнала,соединенную через частотный и аналого-цифровой преобразователи с бортовым компьютером, и источник питающего напряжения, отличающийся тем, что в механоэлектронной системе установлены магнитопроводы, расположенные с возможностью образования их концами широкого и узкого зазоров, магниточувствительный преобразователь измеряемого сигнала, расположенный неподвижно в узком зазоре, постоянный магнит и фиксатор магнитопровода, причем фиксатор магнитопровода выполнен из немагнитного материала в форме конусообразной втулки, магнитопроводы размещены в направляющих посадочных прорезях, расположенных на диаметрально противоположных сторонах наружной 101642014.06.30 поверхности конусообразной втулки, а постоянный магнит посажен на подвижный немагнитный шток внутри конусообразной втулки со стороны, ближайшей к магниточувствительному преобразователю, и намагничен перпендикулярно оси перемещения указанного штока, а с другой стороны указанного штока расположен вал, выполненный с возможностью вращения в подшипнике, запрессованном в торце упомянутого штока, причем на указанном валу закреплен диск, выполненный из слабоизнашиваемого материала магниточувствительный преобразователь выполнен в виде полупроводниковой структуры -типа проводимости, обладающей -эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой, подключенный через нагрузочное электросопротивление к источнику питающего напряжения, выполненного с функцией постоянной ЭДС, причем плюс питания подключен к -области, а на корпусе нанесены многослойные чередующиеся тонкопленочные слои немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно.(56) 1. Патентна полезную модель 3484, МПК 16 66/00, 2007. 2. Патентна полезную модель 4611, МПК 16 66/00, 2008. 3. Патентна полезную модель 5400, МПК 16 66/00, 2009. 4. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с. 5. А.с. СССР 1739402, МПК 01 29/06, 1992. 6. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 196. Заявляемая полезная модель относится к области машиностроения, в частности к устройствам для контроля за рабочим состоянием тормозов, и может использоваться для проведения компьютерного диагностирования тормозных систем автомобиля. Известен индуктивный датчик износа тормозных накладок автомобилей 1, состоящий из пластмассового корпуса, расположенного на тормозной накладке перпендикулярно ее рабочей поверхности, причем пластмассовый корпус содержит катушку индуктивности с ферритовым сердечником из мягкого металла, которая через автоколебательный контур соединена с сигнализатором износа. Во время эксплуатации тормозная накладка при трении о тормозной диск изнашивается, уменьшается ее толщина, одновременно стирается часть пластмассового корпуса, расположенного на тормозной накладке перпендикулярно ее рабочей поверхности, и ферритового сердечника из мягкого материала. При этом индуктивность катушки уменьшается,частота электрических колебаний автоколебательного контура увеличивается, что и фиксируется сигнализатором износа. Величина индуктивности катушки с ферритовым сердечником из мягкого материала подбирается таким образом, чтобы при полном износе тормозной накладки на сигнализаторе износа горела надпись Износ тормозных накладок 100 . Основным недостатком этого датчика является низкая точность непрерывного определения степени износа тормозных накладок по следующей причине. Автоколебательный контур вынесен за пределы корпуса, т.е. имеет соединительные провода, следовательно,обладает низкой помехоустойчивостью в сложных условиях эксплуатации при наличии высокоуровневых электромагнитных помех. Кроме того, отсутствие соединения с бортовым компьютером делает невозможным проведение компьютерного диагностирования тормозных систем автомобиля. Известен индуктивно-цифровой датчик износа тормозных накладок автомобилей 2,состоящий из пластмассового корпуса, расположенного на тормозной накладке перпендикулярно ее рабочей поверхности, причем пластмассовый корпус содержит катушку индуктивности с ферритовым сердечником из мягкого материала, которая является частью 2 101642014.06.30 релаксационного -генератора, включенного в схему датчика и соединенного через частотный и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи с бортовым компьютером. Датчик 2 позволяет расширить функциональные возможности датчика и делает возможным проведение компьютерного диагностирования тормозных систем автомобиля. Его основными недостатками являются часть релаксационного -генератора, вынесенная за пределы пластмассового корпуса с помощью соединительных проводов, обладает низкой помехоустойчивостью в сложных условиях эксплуатации при наличии высокоуровневых электромагнитных помех. Кроме того, эта проблема не может быть решена и размещением электронных компонент внутри корпуса, поскольку электромагнитная система (катушка индуктивности с ферритовым сердечником) является системой открытого,т.е. неэкранированного типа, следовательно, обладает низкой помехоустойчивостью. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является подвижный индуктивно-цифровой датчик износа тормозных накладок автомобилей 3 (прототип), состоящий из пластмассового корпуса, расположенного на тормозной накладке перпендикулярно ее рабочей поверхности, причем пластмассовый корпус содержит катушку индуктивности с ферритовым сердечником из мягкого материала, которая является частью релаксационного -генератора, включенного в схему датчика и соединенного через частотный и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи с бортовым компьютером. Пластмассовый корпус, содержащий ферритовый сердечник из мягкого материала, выполнен подвижным относительно тормозной накладки. Техническое решение 3 делает возможным проведение компьютерного диагностирования тормозных систем автомобиля и проведение в динамике измерения толщины тормозной накладки автомобиля, оснащенного дисковым тормозом. По сравнению с 2 в датчике 3 устранена необходимость замены датчика износа тормозных накладок автомобилей при стачивании тормозных накладок и при компьютерном диагностировании автомобилей. Недостатком этого датчика является низкая точность непрерывного определения степени износа тормозных накладок и компьютерного диагностирования тормозной системы автомобиля, поскольку часть релаксационного -генератора, вынесенная за пределы пластмассового корпуса с помощью соединительных проводов, обладает низкой помехоустойчивостью в сложных условиях эксплуатации при наличии высокоуровневых электромагнитных помех. Кроме того, возможен эффект стачивания подвижной части датчика в условиях увеличения трения между движущимися частями или залипания из-за засорения посторонними частицами износа. Последнее может привести к уменьшению точности непрерывного определения степени износа тормозных накладок, а значит, и к ухудшению степени достоверности компьютерного диагностирования тормозных систем автомобиля. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение помехоустойчивости датчика в сложных условиях эксплуатации при наличии высокоуровневых электромагнитных и квазистатических магнитных помех, а также степени достоверности компьютерного диагностирования тормозных систем автомобиля за счет увеличения точности непрерывного определения степени износа тормозных накладок. Помехоустойчивый подвижный датчик износа тормозных накладок автомобиля содержит пластмассовый корпус, расположенный на тормозной накладке перпендикулярно ее рабочей поверхности, чувствительную к износу этой тормозной накладки механоэлектронную систему, выполненную с функцией генерации частотного сигнала, соединенную через частотный и аналого-цифровой преобразователи с бортовым компьютером,и источник питающего напряжения. Он отличается тем, что в механоэлектронной системе установлены магнитопроводы,расположенные с возможностью образования их концами широкого и узкого зазоров,магниточувствительный преобразователь измеряемого сигнала, расположенный неподвижно в узком зазоре, постоянный магнит и фиксатор магнитопровода, причем фиксатор 3 101642014.06.30 магнитопровода выполнен из немагнитного материала в форме конусообразной втулки,магнитопроводы размещены в направляющих посадочных прорезях, расположенных на диаметрально противоположных сторонах наружной поверхности конусообразной втулки,а постоянный магнит посажен на подвижный немагнитный шток внутри конусообразной втулки со стороны, ближайшей к магниточувствительному преобразователю, и намагничен перпендикулярно оси перемещения указанного штока, а с другой стороны указанного штока расположен вал, выполненный с возможностью вращения в подшипнике, запрессованном в торце упомянутого штока, причем на указанном валу закреплен диск, выполненный из слабоизнашиваемого материала магниточувствительный преобразователь выполнен в виде полупроводниковой структуры типа проводимости, обладающей -эффектом и-образной вольт-амперной характеристикой, подключенный через нагрузочное электросопротивление к источнику питающего напряжения, выполненного с функцией постоянной ЭДС, причем плюс питания подключен к -области, а на корпусе нанесены многослойные чередующиеся тонкопленочные слои немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно. В предлагаемой полезной модели, как и в прототипе 3, устранена необходимость замены датчика износа тормозных накладок автомобилей при стачивании тормозных накладок и при компьютерном диагностировании автомобилей. Кроме того, устранен эффект стачивания подвижной части датчика в условиях увеличения трения между движущимися частями или залипания из-за засорения посторонними частицами износа вследствие возможности вращения диска совместно с тормозным диском. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции датчика давления показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели. По мнению авторов, подвижный цифровой датчик износа тормозных накладок автомобиля содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению точности непрерывного определения степени износа тормозных накладок и помехоустойчивости датчика в сложных условиях эксплуатации при наличии высокоуровневых электромагнитных помех, в том числе квазистатических магнитных помех, по сравнению с прототипом и выявленными аналогами. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 схематично изображен помехоустойчивый подвижный датчик износа тормозных накладок автомобиля в разрезе. На фиг. 2 приведена функциональная электрическая блок-схема. На фиг. 3 приведена зависимость частотывыходного сигнала с малочувствительного преобразователя, обладающей -эффектом, от степени износавеличины тормозной накладки толщиной , т.е. величины / в процентах и величины магнитной индукции о в месте расположения преобразователя. Помехоустойчивый подвижный датчик износа тормозных накладок автомобиля содержит пластмассовый корпус 1, расположенный на тормозной накладке 2 перпендикулярно ее рабочей поверхности, через фланец 3 тормозной накладки и немагнитную про 4 101642014.06.30 кладку 4, чувствительную к износу указанной тормозной накладки 2 механоэлектронную систему, выполненную с функцией генерации частотного сигнала, соединенную через частотный 5 и аналого-цифровой преобразователи 6 (АЦП) с бортовым компьютером (БК) и источник питающего напряжения п. В механоэлектронной системе установлены магнитопроводы 7, расположенные с возможностью образования их концами широкого и узкого зазоров, магниточувствительный преобразователь 8 с электрическими выводами 9, расположенный неподвижно в узком зазоре, постоянный магнит 10 и фиксатор 11 магнитопровода 7, причем фиксатор магнитопровода выполнен из немагнитного материала в форме конусообразной втулки, магнитопроводы 7 размещены в направляющих посадочных прорезях, расположенных на диаметрально противоположных сторонах наружной поверхности конусообразной втулки,а постоянный магнит 10 посажен на подвижный немагнитный шток 12 внутри конусообразной втулки со стороны, ближайшей к малочувствительному преобразователю 8, и намагничен перпендикулярно оси перемещения штока 12, а с другой стороны штока 12 расположен вал 13, выполненный с возможностью вращения в подшипнике 14, запрессованном в торце штока 12, причем на валу 13 закреплен диск 15, выполненный из слабоизнашиваемого материала, который контактирует с тормозным диском 16 только во время торможения. На корпусе 1 нанесены многослойные чередующиеся тонкопленочные слои 17 немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно. Число тонкопленочных слоев должно быть не менее 20 и может ограничиваться только технологией нанесения. Чередующиеся тонкопленочные слои легко изготавливаются известной технологией электролитического осаждения, например, изи пермаллоя соответственно. Выбор материалов чередующихся слоев немагнитный - магнитный может быть и другим, но он ограничивается только требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью (сцеплением). Особенно перспективно осаждение большого числа нанотолщинных слоев (нанослоев), обеспечивающих значительно большие коэффициенты экранирования электромагнитного поля и практически не влияющие на массу датчика в целом. Магниточувствительный преобразователь 8 выполнен в виде полупроводниковой структуры типа проводимости, обладающей -эффектом 4 и -образной вольтамперной характеристикой, подключен через нагрузочное электросопротивление н к источнику питающего напряженияп (обычно 5-25 В), выполненного с функцией постоянной ЭДС, причем плюс питания подключен к -области. Способ формирования - и -областей такой структуры подробно описан в 5. Вектор индукция магнитного поля 0 прикладывается в плоскости, параллельной плоскости раздела - и -областей. Магниточувствительный преобразователь 8 генерирует частотноимпульсный выходной сигнал при величине индукции магнитного поля 0, находящейся в диапазоне (3001000) мТл 4. Такие структуры поставляются фирмой,Россия, г. Москва (Институт проблем управления). Магнит 10 установлен на подвижном немагнитном штоке 12 внутри конусообразной втулки с возможностью перемещения вдоль оси . Подвижный цифровой датчик износа тормозных накладок автомобиля работает следующим образом. Сначала датчик устанавливается. При отсутствии износа тормозных накладок 2 автомобиля шток 12 выдвигается и устанавливается в крайнее положение, при котором диск 15,закрепленный на валу 13, находится заподлицо тормозных накладок 2. При этом проверяется значение индукции магнитного поля 0 по показаниям магниточувствительного преобразователя 8, которое должно превышать 30 мТл. Последнее обеспечивается подбором геометрии и магнитных характеристик постоянного магнита 10, который целесообразно изготавливать из высокоэнергетичиских материалов, например из . Следовательно,5 101642014.06.30 выходной сигнал с магниточувствительного преобразователя 8 является частотно-импульсным, а не аналоговым, вследствие -эффекта. Следует отметить, что явление управляемой скачковой проводимости (-эффект) возникает в структурах с -образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том,что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно,амплитуда протекающего через нее тока, меняются скачком со временем переходного процесса 1-5 мкс. Изменение проводимости, подобно структурам с -образной вольтамперной характеристикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными физическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магниточувтвительного преобразователя 8 является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. При неизношенной тормозной накладке 2 магниточувствительный преобразователь 8 вырабатывает электрические колебания, например при чувствительности к магнитному полю 100 кГц/Тл, частотой 0, немного превышающей 3,4 кГц. При этом электрические колебания с частотой 0 поступают через частотный преобразователь 5, преобразующий частоту колебаний в пропорциональное ей напряжение, в аналого-цифровой преобразователь 6 и на экран бортового компьютера БК, на котором горит надпись Износ тормозных накладок 0 . Во время эксплуатации при трении о тормозной диск 16 тормозная накладка 2 изнашивается, уменьшается ее толщинана величину , одновременно подвижный шток 12 с магнитом 10 смещается вдоль оси , приближаясь к магниточувствительному преобразователю 8. При этом изнашивания диска 15 практически не происходит, из-за возможности вращения диска 15 совместно с тормозным диском 16, даже в случае увеличения трения между движущимися частями, или запинания их из-за засорения посторонними частицами износа, а индукция магнитного поля 0 в месте расположения магниточувствительного преобразователя 8 увеличивается, следовательно, и увеличивается частота электрических колебанийвследствие линейной зависимости (0) 4. Степень износа тормозной накладки 2 автомобиля вбортовой компьютер 7 вычисляет на основе частоты выходного сигнала с магниточувствительного преобразователя 8. При износе тормозной накладки 2 на 90 на экране бортового компьютера 7 загорается предупреждающая надпись, а при полном износе тормозной накладки 2 на экране бортового компьютера 7 загорается надпись Износ тормозных накладок 100 в соответствии с установленным программным обеспечением. Следовательно, заявляемая полезная модель относится к области машиностроения, в частности к устройствам для контроля за рабочим состоянием тормозов, и может использоваться для проведения компьютерного диагностирования тормозных систем автомобиля. Таким образом, решение поставленной комплексной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве вследствие применения магниточувствительного элемента с-эффектом генерируется помехоустойчивый частотно-импульсный выходной сигнал высокой амплитуды (до 50 от напряжения питания) без применения электронных схем преобразования, а нанесение на корпусе 1 многослойных чередующихся тонкопленочных слоев немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитных слоев с высокой магнитной проницаемостью соответственно обеспечивает значительное повышение помехоустойчивости датчика к электромагнитным полям, в том числе к квазистатическим магнитным. Этот вывод следует из литературных источников. Известно, например, что многослойный пленочный экран, состоящий всего лишь из 10-20 тонкопленочных слоев по 0,1 мкм обеспечивает коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м не менее 8-10 6 101642014.06.30 коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-100 000 Гц не менее 30-40. Чередующиеся слои обладают разными волновыми сопротивлениями, что приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в их поперечном сечении. В экране устройства используются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их частоты, когда возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный 6. Использование нанослоев многослойных покрытий обеспечивает возможность многократного увеличения экранирования электромагнитных полей практически без наращивания массы экрана датчика, что является кардинальным решением по обеспечению помехоустойчивости за счет электромагнитного экранирования или сверхэффектом. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемый помехоустойчивый подвижный датчик износа тормозных накладок автомобиля соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7