Система управления скоростью автомобиля с двигателем внутреннего сгорания одной педалью
VEHICLE SPEED CONTROL SYSTEM WITH INTERNAL COMBUSTION ENGINE BY ONE PEDAL

Уровень техники: EP1139195A1
Изобретение относится к области автомобилестроения, в частности к системам  управления скоростью автомобиля  с двигателем внутреннего сгорания, как с механической, так и с автоматической коробкой переключения передач (далее МКПП и АКПП).
Подавляющее количество дорожно-транспортных происшествий случаются по причине того, что водитель не успел остановить автомобиль до возникновения столкновения. Время, необходимое для остановки автомобиля, складывается из времени реакции водителя, времени переноса ноги с педали акселератора на педаль тормоза, времени на нажатие педали тормоза и времени для прохождения автомобилем тормозного пути. Существующая система управления скоростью автомобиля тремя (для автомобиля с МКПП)  или двумя (для автомобиля с АКПП) педалями практически не претерпела существенных изменений со времени своего изобретения, безусловно устарела и не соответствует многократно возросшим динамическим характеристикам современных автомобилей.
Целью изобретения является упрощение, повышение безопасности и комфорта управления автомобилем путем уменьшения количества педалей до одной, как для автомобиля с АКПП, так и с МКПП.
Предлагается вместо двух и трех педалей, для автомобиля  с АКПП и МКПП соответственно, установить одну универсальную педаль, не имеющую механической связи с узлами акселератора, сцепления и тормоза автомобиля. Эта педаль связана только с датчиком положения, который вырабатывает сигнал, однозначно определяемый положением педали от верхней до нижней точки ее хода. Этот датчик может быть резистивным, емкостным, индуктивным, оптическим и т.д. Сигнал с него может иметь электрическую, оптическую, акустическую и т.д. природу, быть аналоговым,  дискретным или цифровым, а также передаваться как проводным, так и беспроводным способом. Таким образом, узел универсальной педали не оказывает механического воздействия на другие узлы автомобиля, а лишь является источником сигнала, несущего информацию о положении педали в каждый момент времени.
Сигнал с узла универсальной педали поступает на электронный логический блок, который работает по заложенному в его память алгоритму. Также на логический блок поступают другие сигналы: сигнал со спидометра, с тахометра, с датчика касания рукоятки рычага переключения передач (для автомобиля с МКПП), с датчиков скорости вращения фрикционов сцепления (для автомобиля с МКПП), с датчика положения рычага переключения передач (для автомобиля с МКПП) и с других датчиков, которыми может быть оснащен автомобиль для реализации различных дополнительных функций (рис.1). В зависимости от значения этих сигналов логический блок вырабатывает управляющие сигналы для исполнительных устройств акселератора, тормоза и сцепления (для автомобиля с МКПП). Исполнительные устройства представляют собой преобразователи управляющего сигнала в механическое воздействие на узлы акселератора, тормоза и сцепления, аналогичное тому, которое оказывает водитель автомобиля, нажимая на педали акселератора, тормоза и сцепления в классической системе управления автомобилем. Для автомобиля с электронной системой впрыска топлива не требуется исполнительное устройство акселератора, управляющий сигнал с логического блока подается непосредственно на систему электронного впрыска топлива.
Возможны различные алгоритмы работы логического блока. Рассмотрим два из них на примере автомобиля с МКПП.
Алгоритм 1.
Диапазон хода универсальной педали делится на два поддиапазона: от крайнего верхнего положения до точки А и от точки А до крайнего нижнего положения (рис.2). В крайнем верхнем положении педали тормоз полностью включен, акселератор выключен, сцепление выключено, двигатель работает на холостых оборотах. Для начала движения водитель включает первую передачу и плавно нажимает на педаль. При перемещении педали от верхнего положения до точки А происходит постепенное изменение механического воздействия исполнительного устройства тормоза на тормозную систему автомобиля, приводящее к постепенному уменьшению тормозящего момента вплоть до полного отключения тормоза в точке А.
Если автомобиль стоит на спуске, то он придет в движение еще до достижения точки А и водитель будет контролировать скорость движения, перемещая педаль в верхнем поддиапазоне,  регулируя таким образом тормозящий момент.
Если автомобиль стоит на горизонтальном участке дороги, то до достижения точки А автомобиль не тронется с места. В точке А происходит включение сцепления, при этом степень механического воздействия исполнительного механизма сцепления на узел сцепления регулируется логическим блоком таким образом, чтобы скорость вращения двигателя не снижалась ниже заранее заданного значения, ниже которого возможна остановка двигателя. Для этого регулирования используется обратная связь по сигналу с тахометра. При перемещении педали ниже точки А происходит активация исполнительного механизма акселератора и постепенное увеличение подачи топлива в двигатель, так же, как это происходит при нажатии на педаль акселератора в классической системе управления. Увеличивается крутящий момент двигателя, фрикционы сцепления сжимаются сильнее, вплоть до полного включения сцепления. Так достигается плавное начало движения без риска остановки двигателя, так же, как это происходит при плавном отпускании педали сцепления при начале движения в автомобиле с классической системой управления. При дальнейшем перемещении педали вниз происходит увеличение подачи топлива в двигатель и увеличение скорости движения автомобиля.
Если автомобиль стоит на подъеме, то для предотвращения скатывания автомобиля назад, трогаться надо с ручного тормоза, т.е. плавно нажать педаль до положения чуть ниже точки А (когда начнут увеличиваться показания тахометра) и отпустить ручной тормоз.
Отключение сцепления для переключения передачи происходит по сигналу с датчика касания, встроенного в рукоятку рычага переключения передач. Сигнал с этого датчика имеет приоритет перед сигналом с универсальной педали. По сигналу с датчика касания происходит быстрое последовательное отключение акселератора, затем сцепления, после чего можно переводить рычаг переключения передач в другое положение. После отпускания рукоятки рычага переключения передач, логический блок регулирует подачу топлива в двигатель так, чтобы уравнять скорости вращения фрикционов сцепления (для этого используются сигналы с датчиков скорости вращения фрикционов), после чего он включает сцепление и переходит на управление сигналом с универсальной педали. Таким образом, для переключения передачи водителю следует, не меняя положения универсальной педали, положить руку на рукоятку рычага переключения передач, перевести ее в нужное положение и отпустить.
Для уменьшения скорости движения и остановки автомобиля педаль плавно перемещается вверх, при этом происходит уменьшение подачи топлива в двигатель, в точке А происходит полное отключение акселератора, выше точки А начинается постепенная активация тормозной системы. Отключение сцепления логическим блоком происходит при одновременном выполнении двух условий: универсальная педаль находится выше точки А и скорость вращения двигателя снижается до заранее заданного значения, ниже которого возможна остановка двигателя. При достижении педалью ее крайнего верхнего положения тормозная система активируется полностью.
При работе логического блока по алгоритму 1 управление автомобилем похоже на управление в классической системе, при этом в верхнем поддиапазоне универсальная педаль работает как педаль тормоза, а в нижнем – как педаль акселератора. Разница состоит в отсутствии манипуляций педалью сцепления, в отсутствии необходимости переноса ноги с педали акселератора на педаль тормоза и обратно, а также в том, что верхний поддиапазон хода универсальной педали, работающий как педаль тормоза, имеет обратную зависимость – чем сильнее нажатие, тем меньше торможение.
Алгоритм 2.
Каждому положению педали сопоставляется определенная скорость движения автомобиля от 0 в крайнем верхнем положении до максимальной скорости, разрешенной производителем, в крайнем нижнем. Логический блок вырабатывает сигналы для управления исполнительными устройствами акселератора и тормоза так, чтобы поддерживать скорость движения, соответствующую положению педали.
В крайнем верхнем положении педали тормоз полностью включен, акселератор выключен, сцепление выключено, двигатель работает на холостых оборотах.  Для начала движения водитель немного смещает педаль вниз от ее крайнего верхнего положения и ждет реакции автомобиля. Логический блок, управляя исполнительным устройством тормоза, плавно уменьшает тормозящий момент и, если автомобиль пришел в движение (потому что находился на спуске), регулирует тормозящий момент так, чтобы поддерживать скорость, соответствующую положению универсальной педали. Для этого регулирования используется обратная связь по сигналу со спидометра.
Если автомобиль не пришел в движение после уменьшения тормозящего момента до нуля, или его скорость меньше задания с универсальной педали, то логический блок после полного отключения тормоза включает сцепление и начинает активировать исполнительное устройство акселератора, увеличивая подачу топлива в двигатель. Включение сцепления происходит так же, как это было описано в алгоритме 1, с контролем скорости вращения двигателя, чтобы не допустить его остановки. Логический блок регулирует подачу топлива в двигатель так, чтобы скорость движения соответствовала положению универсальной педали, независимо от того, движется автомобиль по горизонтальной поверхности, на подъеме или на спуске. Для этого регулирования также используется обратная связь по сигналу со спидометра.
Если скорость движения превышает ту, которая соответствует положению педали, то логический блок уменьшает подачу топлива, происходит торможение двигателем, а если этого недостаточно для уменьшения скорости до заданного универсальной педалью значения, то после полного отключения акселератора, начинает активироваться исполнительное устройство тормоза. Так, попеременно активируя в нужной степени исполнительные устройства тормоза и акселератора, логический блок поддерживает скорость автомобиля на значении, соответствующем положению универсальной педали.
При работе логического блока по этому алгоритму он должен анализировать не только положение педали, но и скорость изменения ее положения. Так, при плавном перемещении педали вверх для уменьшения скорости движения, достаточно уменьшения подачи топлива и торможения двигателем, а при быстром перемещении на ту же величину, требуется полное отключение акселератора и активация тормозной системы для того, чтобы переход на новое значение скорости произошел за меньшее время, т.к. требуется более быстрое снижение скорости.
Переключение передач в этом алгоритме осуществляется так же, как и в алгоритме 1.
Для уменьшения скорости движения и остановки педаль плавно перемещается вверх, при этом происходит последовательное снижение подачи топлива, полное отключение акселератора, постепенная активация исполнительного устройства тормоза, вплоть до полного включения тормозной системы. Отключение сцепления  в этом алгоритме происходит при одновременном выполнении двух условий: логический блок активирует исполнительное устройство тормоза (не важно, в какой степени) и скорость вращения двигателя снижается до заранее заданного значения, ниже которого возможна остановка двигателя.
Для уменьшения износа узла сцепления при непродолжительных остановках, в обоих алгоритмах можно предусмотреть включение сцепления при нахождении рукоятки переключения передач в нейтральном положении дольше нескольких секунд и отсутствии сигнала с датчика касания этой рукоятки.
Для автомобиля с АКПП из этих алгоритмов следует исключить все, что имеет отношение к сцеплению и МКПП.
Возможны и другие алгоритмы работы логического блока. Все алгоритмы могут быть записаны в память логического блока, чтобы водитель мог выбирать любой из них, в зависимости от личных предпочтений или дорожной ситуации.
Конструктивно универсальная педаль может быть выполнена как обычная автомобильная педаль, но расположена она должна быть посередине, симметрично относительно положения водителя, и иметь широкую платформу или две отдельных платформы для правой и левой ноги, чтобы ею можно было управлять любой ногой. Такая конструкция значительно уменьшит утомляемость водителя при длительном вождении.
Совмещение в одной педали функций тормоза и акселератора значительно уменьшает время от начала реакции водителя на дорожную ситуацию до остановки автомобиля при экстренном торможении, т.к. не требуется переносить ногу с педали акселератора на педаль тормоза и нажимать на педаль тормоза. При этом экстренное торможение можно осуществлять движением стопы в сторону, чтобы просто отпустить универсальную педаль. Тормозная система активируется полностью, когда универсальная педаль под действием пружины вернется в верхнее положение. Это время можно дополнительно уменьшить, если встроить в педаль датчик касания. Если стопа не касается педали, то по сигналу с этого датчика (он имеет наивысший приоритет) логический блок мгновенно отключает акселератор, сцепление и полностью активирует тормозную систему. Таким образом, если отпустить универсальную педаль движением стопы в сторону, узлы автомобиля перейдут в режим экстренного торможения еще до того, как педаль достигнет своего верхнего положения.
Наличие между водителем и узлами тормоза и акселератора автомобиля промежуточного звена в виде логического блока позволит в будущем реализовать новые функции повышающие безопасность дорожного движения. Например, можно осуществлять принудительное снижение скорости автомобиля на участках с ограничением скорости. Для этого на участках с ограничением скорости размещаются радиопередатчики, или инфракрасные, или ультразвуковые излучатели, передающие информацию о максимальной разрешенной скорости на этом участке дороги. Автомобиль оснащается соответствующим приемником, сигнал с которого поступает на логический блок. Логический блок управляет акселератором и тормозом так, чтобы скорость автомобиля не превышала разрешенного значения. Аналогично можно осуществлять принудительную остановку автомобиля на запрещающий сигнал светофора, принудительное соблюдение безопасной дистанции до впереди идущего автомобиля, принудительное экстренное торможение при опасном сближении с препятствием и т.д.
Предложенная система управления скоростью значительно уменьшит количество дорожно-транспортных происшествий за счет сокращения времени, необходимого для перевода узлов автомобиля в режим экстренного торможения, и исключения возможности ошибочного нажатия на педаль акселератора вместо педали тормоза. При оснащении автомобиля дополнительными датчиками и создании соответствующей дорожной инфраструктуры, аварийность значительно уменьшится из-за невозможности умышленного или непреднамеренного нарушения правил дорожного движения в части скоростного режима и значительного уменьшения времени перехода узлов автомобиля в режим экстренного торможения (исключается время реакции водителя и время на перенос ноги с педали акселератора на педаль тормоза и нажатия на педаль тормоза).
Также, предложенная система повышает комфорт при вождении и упрощает обучение вождению за счет уменьшения количества необходимых манипуляций педалями и возможности управления скоростью автомобиля любой ногой.