Электронные системы мобильных машин

Москва

ИНФРА-М

2020

ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ 

МОБИЛЬНЫХ МАШИН

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

А.В. Богатырев

Допущено Министерством сельского хозяйства Российской Федерации 

в качестве учебного пособия для студентов учебных заведений, 

обучающихся по направлению 35.03.06 «Агроинженерия»

Б73

УДК 631.152(075.8)
ББК 31.2я73

Б 73

Богатырев А.В.

Электронные системы мобильных машин : учеб. пособие / 

А.В. Богатырев. — М. : ИНФРА-М, 2020. — 224 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/13026.

ISBN 978-5-16-006638-7 (print)
ISBN 978-5-16-103736-2 (online)

Изложены основы управления системами и агрегатами автомобилей, тракто
ров, комбайнов на базе электроники. Описаны основы взаимодействия систем 
автоматического управления (САУ) с агрегатами этих машин (как двигателей с 
впрыскиванием бензина, так и дизелей, автоматических коробок передач, тормозного и рулевого управления, подвески, ходовой части, а также систем безопасности, поддержания курсовой устойчивости, навигации, систем комфорта, 
первичной диагностики, основ автоматического вождения мобильных машин. 
Рассмотрены  САУ сельскохозяйственных тракторов и комбайнов.

Для студентов вузов при подготовке по направлениям 35.03.06 «Агро ин
женерия», 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы», 
44.03.04 «Профессиональное обучение (по отраслям)». Книга может быть использована в техникумах и колледжах соответствующего технического профиля, 
автолюбителями, трактористами.

УДК 631.152(075.8)

ББК 31.2я73

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ISBN 978-5-16-006638-7 (print)
ISBN 978-5-16-103736-2 (online) 
© Богатырев А.В., 2016

Подписано в печать 25.09.2015. 

Формат 60 ×90/16. 

Бумага офсетная. Гарнитура «Newton». Печать цифровая.

Усл. печ. л. 14,0. ПТ10.

Цена свободная. 

TK 428950-401795-250915

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Глава 1.
СоСтав и компоновка СиСтем 
автоматичеСкоГо управления

Электроника — это достаточно просто! 

В мире работают легионы автомобилей, тракторов, комбайнов 

и другой техники, использующей в качестве движителей колеса, гусеницы, – то, что далее подразумевается как «мобильные машины». 
Их основа – двигатели внутреннего сгорания (ДВС). За 100 с небольшим лет со времени своего создания они из рычага, определяющего 
прогресс развития человечества, стали не просто тормозом его развития, аисточником загрязнения и потепления атмосферы, грозящим 
самому существованию человека. 

Однако за последние 20–40 лет и двигатели, и сами мобильные 

машины претерпели столь значительные изменения, что мы сейчас 
имеем дело с фактически новым поколением этих машин. Этому способствовали: энергетический кризис 1977–1979 гг., реальное приближение экологической катастрофы, бурное развитие цифровой электроники и применение аккумуляторной системы питания. 

Все это потребовало резкого снижения потребления топлива, по
вышения экономичности двигателей, введения жестких норм по токсичности (типа ЕВРО). Решить эти проблемы, как показало время, 
можно только с помощью электроники, точнее — электронной системы автоматического управления (САУ), которая просто перевернула наши представления о возможностях двигателей внутреннего 
сгорания, в вопросах управления агрегатами автомобиля, трактора, 
комбайна. Прежде всего нужно иметь в виду, что сама по себе электроника не изменяет свойств и характеристики двигателя и других агрегатов мобильных машин, она позволяет довести их до оптимума. Поэтому лучше всего изучать эту дисциплину после освоения разделов 
«Теории двигателя» и «Теории трактора и автомобиля» — все, что там 
изучали, остается в силе. Правда, сейчас электроника начинает диктовать конструкторам свои условия, иногда заставляя довольно значительно изменить конструкцию. О бурном развитии электроники 
свидетельствуют вышеприведенный график — сумма продаж электронных изделий (табл. 1) и выпуск автомобилей в мире. Обе кривые 
изменяются по экспоненте, но выпуск автомобилей— по убывающей 
(постепенно стабилизируется), а объем продаж — по возрастающей, 
т.е. с опережением выпуска. В начале ХХI в. все ведущие заводы выпускали автомобили только на базе электронного управления. Это 
также относится и к дизелям. Фирма Bosch уже в 1996 г. сообщала, что 

более 50% автомобилей и тракторов выпускаются с дизельной системой Common Rail, а к 2000 г. таким будет весь выпуск. 

Объем продаж, млн долл.
Выпуск автомобилей, млн шт.

— объем продаж электроники
— выпуск автомобилей
— прогноз

20 000

1980
1990
2000
2010

16 000

12 000

8000

80

40

Годы

4000

Таблица1 

объем продаж изделий автомобильной электроники , млн долл.

Система приборов

Год

1977
1987
1992
2000
2010

Управление ДВС 
705
2699
4150
5500
6500

Навигация
28
250
675
2775
5500

Безопасность и защита
10
97
700
2300
4700

Развлечения и комфорт
629
486
2678
4875
8000

Общий объем продаж
1372
3511
8200
15600
24 700

Аналогичные выводы можно сделать по развитию электронных 

систем управления сельскохозяйственных тракторов и комбайнов — 
все их агрегаты буквально «нашпигованы» электроникой, поскольку 
труд оператора сельскохозяйственной машины намного напряженнее 
труда водителя автомобиля.

Естественно, инженер, работающий савтомобилями, тракторами, 

комбайнами, обязан знать принципы применения электронных систем управления всеми агрегатами мобильных машин. Причем для 
этого необязательно знать, как работает сама электроника (гибридные, 
интегральные схемы — «чипы»), но знать, почему применяется электронное управление, как САУ воздействует на традиционные агрегаты мобильных машин, инженер обязан.

Учебное пособие предназначено для подготовки инженеров-экс
плуатационников по направлениям 35.03.06 «Агроинженерия» по всем 
профилям, 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы», 44.03.04 «Профессиональное обучение (по отраслям)».

1.1.
виды и СоСтав СиСтем автоматичеСкоГо 
управления трактора и автомобиля

1.1.1. Факторы, способствовавшие внедрению 

электронных систем

Поршневые двигатели внутреннего сгорания — достаточно хоро
шо развитая конструкция, несмотря на малый срок развития. Однако 
с самого начала они имели ряд хронических недостатков.

Карбюраторные двигатели, несмотря на применение электроники, 

так и не смогли решить основных проблем:

1) обеспечение должной экономичности, так как карбюратор, 

распыливая топливо, создает на внутренних стенках впускного коллектора топливную пленку, которая медленно (относительно), со скоростью 10...20 м/с, движется по трубе коллектора в сторону цилиндра и, достигнув впускного клапана, 
срывается крупными каплями в цилиндр. В результате неравномерность распределения топлива по цилиндрам достигает 
20–25%, последствия этого — резко падает экономичность, 
один цилиндр «тащит» на себе другой, крупные капли являются источником неполного сгорания топлива, а это — увеличение токсичности;

2) жесткие нормы токсичности (ЕВРО-1 – ЕВРО-5) не могут 

быть выполнены без точного дозирования, хорошего распыления, без точной организации процессов в двигателе (особенно 
процесса сгорания). Это возможно только при электронном 
управлении этими процессами;

3) применение электроники требует хорошего сочетания сис
темы управления с процессами работы агрегатов автомобиля 
и трактора. Для двигателя это точное управление процессом 
подачи топлива и углом опережения зажигания. Это сочетание 
обеспечивают аккумуляторные системы питания и электронная система зажигания.

1.1.2. основы действия электронных систем 

автоматического управления 

Задача системы управления — поддерживать заданный режим ра
боты объекта управления в определенном диапазоне. 

Любая система использования энергии состоит из следующих эле
ментов: источник энергии (ИЭ); орган управления (ОУ) и исполнительный механизм (ИМ). На орган управления воздействует оператор 
(водитель, тракторист и т.п.). Это система ручного (неавтоматического) управления (рис. 1.1, а). Например, автомобиль: ИЭ— двигатель, 
ОУ — коробка передач, ИМ — ходовая часть. Оператор (водитель), 
переключая передачи, регулирует нагрузку на двигатель.

ИЭ
ОУ

Оператор

а

x

б

Оператор

ИМ
ИЭ
ОУ

ОС

Д
ИМ

Рис. 1.1. Блок-схемы неавтоматического (а) и автоматического (б) управления

В отличие от системы ручного управления система автоматического 

управления (САУ) дополнительно имеет датчик (Д) и обратную связь 
(ОС) (рис. 1.1, б). Датчик постоянно контролирует действие исполнительного механизма и посылает сигнал по обратной связи в орган 
управления (регулятор), который в случае отклонения действия ИМ 
от заданной команды корректирует команду управления. Оператор 
задает органу управления команду поддерживать определенный режим 
(диапазон).

В первом варианте управление ограничивается чувствительностью 

и реакцией оператора, которая зависит от многих физиологических 
и психических факторов. Скорость реакции человека на внезапно 
изменившуюся обстановку лежит в широком диапазоне: от 0,3 до 
2–3 с и даже больше. Она зависит от настроения, состояния здоровья, 
принятия психотропных веществ и алкоголя, вплоть до глубокого 
стресса, когда человек вообще не в состоянии принять какое-то решение. 

Поэтому применяют второй вариант — систему автоматического 

управления (САУ), где оператор задает уровень режима, а система 
сама в определенном диапазоне поддерживает состояние механизма, 
агрегата и т.п. (см. рис. 1.1, б). Существуют разные виды САУ, но впоследнее время на мобильных машинах применяют электронику, которая, во-первых, имеет скорость реакции на 2–3 порядка выше скорости реакции человека, а во-вторых, позволяет держать в памяти 
очень большой объем информации. Основой электронной системы 
является микропроцессор (МП) — это мини-ЭВМ, работающая по 
строго профессиональной программе. В этом случае САУ носит название микропроцессорная система управления — МПСУ.

1.1.3. Состав систем автоматического управления автомобиля 

и трактора. иерархия сигналов

Состав САУ автомобиля.Хронологически впроизводстве появились 

прежде всего электронные САУ двигателя — системы зажигания (СЗ) 
(рис. 1.2). Затем — системы питания (СП), потом — автоматические 
коробки передач (АКП) и сцеплений, затем — силовой установки (двигатель, сцепление, трансмиссия). В 1970-е гг. появились антиблокировочные системы (АБС), противобуксовочные системы (ПБС). При

мерно в это же время возникли системы управления подвеской, рулевого управления, безопасности движения (активные и пассивные).

Навигация
Охранная система

Комфорт

Аудиови
део
Климат

Трансмиссия

Сцепление

Круиз-контроль

Автоматическое вождение автомобиля

Рулевое 

управление
Силовая 
установка

Безопасность

CЗ
CП

ИДС

СДС

КП

АБС
Подвеска
ПБС

Рис. 1.2. Системы САУ автомобиля

В 1990-е гг. все эти системы были объединены в единую систему 

динамической стабилизации (ЕДС). В начале XXI в. появилась система 
«круиз-контроль», задачей которой было поддержание заданной скорости движения, ав последних разработках— движения вобщем транспортном потоке, включая обгон и притормаживание, остановку, трогание. Все это имеет конечной целью автоматическое вождение автомобиля — он должен стать «не роскошью, асредством передвижения». 

Кроме этих систем, очень быстро развиваются вспомогательные 

системы: САУ навигации для определения места положения и направления движения машины; система ИДС — информационно-диагностическая система, которая служит для информации водителя о техническом состоянии агрегатов автомобиля, сроках проведения ТО, 
маршруте движения ит.д. Особое место занимает САУ комфорта, включающая управление климатом в салоне, аудио- и видеотехникой.

Состав САУ трактора. Большинство систем трактора внедрялись 

после разработки САУ автомобиля: управление двигателем, трансмиссией, подвеской, комфортом, ИДС и др. (рис. 1.3). Однако хотя 
принципиально они имеют одинаковое назначение и действие, но 
режимы их работы сильно различаются.

Совершенно специфичные САУ связаны с назначением трактора 

и режимами его работ. Иногда их разрабатывали даже раньше автомобильных: сначала в виде механических САУ, затем — электрогидравлических систем и в последнее время — электрогидравлических 
с электронным управлением.

Системы автоматического вождения машинно-тракторных агре
гатов (МТА) появились еще в 1950-е гг. Это были системы на базе 
механических датчиков слежения за предыдущей бороздой, действу

ющих на гидропривод рулевого управления. Сейчас эти автоматы 
движения действуют, используя электронику. 

Навигация
Комфорт

Аудиови
део

Силовая 
установка

Блокировка 

дифференциала

Климат

Трансмиссия

Буксование

Муфта сцеп
ления

Рулевое 

управление

Автомат 
движения

CП

ИДС

САРГ

КП

Скорость
Двигатель

Сила 
тяги

Wmax
Qга

Рис. 1.3. Состав САУ трактора  

Чисто тракторная система — система автоматического регулиро
вания глубины (САРГ) обработки почвы. Ее разработки применялись 
еще в 1930-е гг. 

Только на тракторах применяется система определения величины 

буксования ведущих колес (САУ буксования). Она определяет оптимальную силу тяги и на этой базе — тяговый КПД трактора. В последние годы появились новые системы питания дизелей (Common Rail, 
UIS — насос-форсунки, индивидуальные насосы), работающие только с электроникой, это САУ системы питания и регулирования.

Ну и, наконец, все это дает возможность трактористу заранее ввес
ти команду автоматике — работать либо с максимальной производительностью (САУ Wmax), либо с минимальным расходом топлива на 
гектар (САУ Qга), на единицу продукции.

На комбайнах дополнительно применяют систему регулирования 

загрузки молотильно-сепарирующего устройства, САУ положением 
и работой мотовила, САУ оптимального захвата жатки, САУ наполнения копнителя и др. 

Иерархия сигналов и систем. Электронные системы управления 

обычно опрашивают все датчики, входящие вего сеть последовательно 
по кругу. На получение и обработку одного сигнала и выдачу команды 
микропроцессору достаточно 0,002...0,003 с. 

Если, допустим, на двигателе имеется 10 датчиков, то на один цикл 

МПСУ тратит 0,02...0,03 с. За это время, а это примерно один 
цикл — два оборота коленчатого вала, в механизме (агрегате) могут 
произойти многие неожиданные события. Поэтому программа рабо

ты МП подчинена жесткой иерархии сигналов. Это означает, что по 
своей значимости для человека и машины все виды сигналов разбиты 
на несколько ступеней.

К высшей ступени относят сигналы о возникающей катастрофе, 

например об отказе рулевого или тормозного управления и т.п. Следующая ступень — сигналы о возможном возникновении катастрофической ситуации, например отсутствии тормозной жидкости вбачке. Далее по значимости — сигналы о возможной аварии, например 
резком падении давления масла в смазочной системе двигателя. 
Затем – сигналы о техническом состоянии, обеспечении нормальной 
работы агрегатов и систем машины (сигналы управления) и т.д. На 
последнем месте системы развлечения — работа аудиовидеосистем.

Так, программирование работы МП составлено таким образом, 

что если поступает от датчиков сигнал высшей иерархии, то МП откладывает обработку остальных сигналов иобрабатывает именно этот 
сигнал, после чего возвращается к «текучке». Эту работу выполняет 
«системный контроллер» МПСУ (см. далее: структура МПСУ).

1.1.4. требования к Сау. оценка надежности электронных Сау

по сравнению с другими автоматическими системами 

Электронные системы подвержены влиянию значительного ко
личества внешних факторов (рис 1.4), начиная от чисто механических 
воздействий (удары, вибрации и т.п.) до жестких излучений радиоактивного характера. 

Механические воздействия — удары, вибрация; в салоне или под 

капотом действуют вибрации до 10...25 Гц с ускорениями до 5 g.

Климатические воздействия. На поверхности двигателя темпе
ратура достигает (данные Японии) +150 °С, на дросселе +205°С, на 
приборном щитке и багажнике +85 °С. При пуске двигателя при 
внешней температуре –34°С через 12 мин после пуска температура 
достигает +110°С, т.е. перепады температуры составляют 130…150°С.

Влажность до 100% способствует образованию соляной, сернистой, 

фосфористой и азотной кислот, различных солей, что вызывает электрохимическую коррозию, изменяет сопротивление; водяной пар рвет 
фольговые дорожки, расслаивает платы, разгерметизирует корпуса 
приборов и т.п.

Атмосферное давление снижает напряжение пробоя диэлектриков, 

способствует возникновению поверхностных зарядов электричества 
(огни св. Эльма); может ухудшиться теплообмен, возникнуть коробление корпусов.

Соль (при посыпании дорог вгололед ивзвеси вблизи морей) ипыль

приводят к электрохимической коррозии, снижению сопротивления 
между цепями дорожек электрических плат.

Климатические

Нагрев

Удары

Атмосферное давление

Атомный взрыв

Мягкое излучение

Лазеры

Жесткое излучение

Технические жидкости

Колебания напряжения

Неправильный монтаж

Неправильная полярность

Влажность

Внешние

Внутренние

Масла

Атмосферная соль

Обрыв цепи

Звуковые сигналы

Колебания 

напряжения 

при отключении 

и разрушении 

аккумулятора 

обратной поляр
ности, звуковой 

сигнал, стартер

Краска

Вибрации

Пыль

Механические

Факторы воздействия на электронику

Нарушение изоляции, обрыв дорожек плат, ускорение 

окисления, разгерметизация приборов, разрушение при 

аварии, монтаже и ремонте. 

Последствия: изменение сигналов, утечки токов, 

огни св. Эльма, КЗ между цепями

Система зажи
гания, линии 

электропередачи, 

радиостанции, 

радары, прожог

Изменение 

свойств ма
териалов

Эксплуатационные
Электромагнитные
Радиация
Электрические

Рис. 1.4. Факторы воздействия на электронные системы