что такое рулевая лента
Подогрев руля. Часть 1. Подрулевой шлейф
Идея сделать подогрев руля появилась давно. Несмотря на то, что руль в Импрезе штатно обтянут кожей – зимой он долго остаётся холодным. Уже и салон прогрелся, а держаться за руль ещё долго неприятно – пальцы коченеют. Видимо, массивность обода, его большая теплоёмкость не дают ему быстро прогреваться. Так и едешь: одна рука на руле – вторая у дефлектора печки отогревается, затем меняешь руки…
Несмотря на насущную необходимость – шёл к решению этого вопроса несколько лет: нет готового решения! В Интернете много примеров установки подогрева руля, но почти все они настолько «колхозные», что в каждом я находил существенные недостатки. Изучая множество реализаций, анализируя каждую, я выработал определённые требования к этой системе.
Я вижу, что вам очень нравятся статьи, где я рассказываю теорию, объясняю принципы работы и даю рекомендации по тестированию и поиску неисправностей. Продолжу в таком же духе!
Итак, начну с того, что проблема подогрева руля делится на две задачи:
1. Пропустить напряжение в руль
2. Установить нагревательный элемент под оплёткой руля.
Эти две задачи взаимосвязаны: от того, какой максимальной силы ток мы сможем пропустить в руль, зависит возможная мощность устанавливаемого нагревательного элемента.
Средняя мощность нагревательных элементов чаще всего бывает от 20 до 60 Вт. При мощности
25 Вт руль будет долго прогреваться. 50 Вт – наиболее оптимальная мощность. Если ставить нагревательный элемент бóльшей мощности – руль будет нагреваться быстрее, но потребуется терморегулятор или ручной регулятор температуры нагрева – иначе, после, будет горячо!
Из школьного курса физики вы знаете, что электрическая мощность равна произведению напряжения на силу тока. Отсюда не сложно посчитать, что при напряжении 12 В и мощности 25 Вт – сила тока в цепи нагревателя будет равна примерно 2 А, а при мощности 50 Вт – примерно 4 А. С этого и начинается задача №1…
Как пропустить напряжение в руль?
1. В автомобилях, где нет подушки безопасности и других органов управления на руле, можно изготовить и поставить контактное кольцо. Так решают задачу в отечественных автомобилях: делают кольцо из стеклотекстолита и используют щётки от генератора классики в качестве подвижных контактов.
2. В автомобилях, где есть подушка безопасности в рулевом колесе – имеется система передачи электрических сигналов в рулевое колесо: поворотный разъём (подрулевой шлейф, подрулевая лента, подрулевой барабан, «улитка» и т.п.). В этом случае есть два варианта:
а) использовать имеющиеся незадействованные дорожки в шлейфе
б) добавить дополнительный шлейф в барабан.
По понятным причинам вариант с контактным кольцом рассматривать не будем.
В основе всех «улиток» используется гибкий токопроводящий шлейф. Он состоит из нескольких параллельных дорожек (проводников) из медной фольги, «запечатанных» в прочную изоляцию.
Чаще всего, встречаются шлейфы с дорожками шириной 1 мм и 2 мм. Дорожка шириной 1 мм допускает предельный ток в 1 А, шириной 2 мм – соответственно 2 А. При бóльшем токе начинается их ощутимый нагрев. (На подушку безопасности всегда используются дорожки шириной 2 мм.)
Для подключения подогрева требуется минимум 2 дорожки: для плюса и массы. Использовать «массу на руле» нельзя – там нет надёжного соединения – контакт с кузовом автомобиля осуществляется через шариковые подшипники.
При наличии в шлейфе двух не задействованных дорожек шириной 2 мм – всё ясно, мы можем использовать нагревательный элемент мощностью до 25 Вт. Для мощности в 50 Вт, нам потребуется 4 дорожки шириной 2 мм (включаем по две параллельно). А как быть, если в нашем распоряжении лишь две дорожки шириной 1 мм?
Если мы ограничены предельным током в 1 А, то потребуется использовать повышающий преобразователь напряжения. Снова вспомним формулу мощности: если нет возможности увеличить ток – то можно увеличить напряжение! Например, мощность в 24 Вт можно получить либо при напряжении 12 В и токе 2 А, либо при напряжении 24 В и токе 1 А. О, то, что нужно! Соответственно, можно поднять напряжение до 50 В, что при том же токе в 1 А даст нам 50 Вт мощности.
Для этого используют импульсные повышающие преобразователи. С Павлом BlackDarkGarage мы развили тему до того, что переделали повышающий преобразователь напряжения в стабилизатор тока: в зависимости от сопротивления нагревательного элемента, преобразователь сам выставляет напряжение так, что бы ток не превышал 1 А (аналогично драйверу светодиодов). Вот пример такого устройства:
Преобразователь поддерживает ток в цепи нагревательного элемента на уровне 1 А. При этом выходное напряжение, в зависимости от сопротивления нагревательного элемента изменяется автоматически в пределах 20…48 В. Это позволяет получить мощность нагрева до 50 Вт при наличии двух свободных дорожек шириной 1 мм.
Кроме того, силу тока на выходе преобразователя можно регулировать в пределах от 0,5 до 2 А — это позволяет регулировать степень нагрева (мощность) нагревательного элемента.
Устройство поворотного разъёма
Существует два варианта укладки шлейфа в барабан: спиральная и параллельная.
На многих европейских автомобилях используется спиральная укладка шлейфа – она напоминает собой часовую пружину. Думаю, не требуется объяснять, как она работает. Сразу скажу, что спиральная укладка имеет серьёзные недостатки:
1. Требуется большая длина шлейфа, что бы обеспечить возможность поворота руля на несколько оборотов
2. В барабан можно уложить только один шлейф.
Большая длина шлейфа – это дополнительные потери напряжения в проводниках, которые при большом токе достигают нескольких единиц Вольта! В такой барабан не возможно уложить второй шлейф, а свободные проводники могут отсутствовать, или их сечения недостаточно для требуемого тока. Кроме того, из-за большой ширины имеющегося шлейфа барабан получается большой высоты.
Ну и главное, при спиральной укладке ленты из-за наличия трения между витками спирали часто происходит перелом шлейфа в начале либо в конце, в местах ввода и вывода его из барабана, т.к. в этих местах происходит его натяжение.
Хоть убейте меня, но я не понимаю, почему так делают в автомобилях Рено… Французские инженеры для меня огромная загадка!
Японцы же поступают более мудро: они перегибают шлейф пополам в виде буквы U и укладывают его в барабан – получается параллельная укладка шлейфа. Чтобы это понять, рассмотрим на примере линейного перемещения деталей.
Наверняка вы видели подобное в дорожной технике или станках. Как видите, здесь нет никакого трения! Шлейф просто «перекатывается» от одной стенки к другой. Натяжения и перегиба в начале и в конце шлейфа вообще не происходит. И если вы сами не напортачите, например, провернув руль при снятии рулевой рейки, то служить шлейф будет вечно.
Также обратите внимание, что при такой укладке перемещение деталей возможно на расстояние практически в 2 раза превышающее длину самого шлейфа! А это значит, что его длина получается намного короче, чем при спиральной укладке, что уменьшает потери напряжения в проводниках.
И самое главное, при таком способе в барабан можно уложить несколько параллельных шлейфов! А значит, сам барабан можно сделать небольшой высоты… и что очень важно, всегда есть возможность добавить дополнительный шлейф! Огромное спасибо японским инженерам!
Так что если вы разберёте подрулевой барабан из автомобиля Subaru и размотаете шлейф, то увидите примерно следующую картину:
Длина самого короткого шлейфа подобрана так, что барабан может свободно поворачиваться на 6,5 оборотов, т.е. по 3 с небольшим оборота в каждую сторону. Учитывая, что руль поворачивается на 1,5 оборота в каждую сторону – это двукратный запас.
Некоторые меры предосторожности!
Перед снятием рулевой рейки с автомобиля необходимо зафиксировать руль в положении прямолинейного движения, чтобы ни допустить его случайного поворота! Прямо водительским ремнём безопасности оборачиваете центральную спицу руля и пристёгиваете его. Иначе покупка новой «улитки» вам обеспечена…
Если вы меняете саму «улитку», то до снятия руля необходимо выставить колёса в положение прямолинейного движения. При установке руля обратно необходимо выставить подрулевой барабан в центральное положение. Для этого вращайте подвижную часть барабана против часовой стрелки нежно-нежно двумя пальцами, пока не начнёт возрастать усилие. После этого поверните барабан на 3 с четвертью оборота в обратную сторону, так чтобы разъём подушки безопасности расположился в верхней части барабана. Вот в таком положении и устанавливайте руль.
На корпусе самого барабана есть схематическая инструкция этой процедуры, но там указано направление вращения барабана по часовой стрелке до упора. Это не верно! При вращении вправо до упора, а затем обратно один из шлейфов укладывается не правильно с изломом. Это я проверял несколько раз на вскрытой «улитке».
Как я переделал «улитку» в Импрезе
Субару использует «улитки» производства компании Niles Electronics (которой владеет Nissan).
В их основе используется шлейф с шестью дорожками: 4 дорожки шириной 2 мм и 2 дорожки шириной 1 мм. Купить подобные шлейфы можно здесь.
В Импрезе GE/GH 2008 – 2011 м.г. и Форестере SH 2009 – 2011 м.г. барабан содержит 2 таких ленты (12 дорожек всего). Две дорожки шириной 2 мм используются для подушки безопасности. 8 дорожек выведено на верхний разъём и используется для кнопок управления магнитолой, круиз-контролем и звуковым сигналом. И 2 дорожки шириной 2 мм имеются не задействованные (они зарезервированы для второго пиропатрона подушки безопасности, который используется в более новых моделях).
Разобрав любой барабан, внутри мы увидим 4 «перекатывающихся» ленты. Часть из них – это шлейфы, а остальное – балансирные ленты (без проводников). Все 4 ленты расположены так, что их U-образные закругления сдвинуты на 90° относительно друг друга. Это нам и позволяет добавить ещё один шлейф!
У меня в «улитке», естественно, было два шлейфа, и соответственно, две не задействованные дорожки шириной 2 мм. Поначалу я и хотел их использовать для подогрева руля. Но мощность без преобразователя получалась бы только 25 Вт…
Изучив конструкцию разъёмов на шлейфе, я обнаружил, что этот (неповреждённый) шлейф имеет точно такую же законцовку, как третий (отсутствующий у меня) шлейф в «улитке»… И длина его получается практически такой, как надо!
Разобрав обе «улитки», я быстренько переставил этот шлейф в свою, получив «улитку от после рестайлингового Форестера» (83196AG070). Причём все разъёмы встали на свои штатные места без переделок! Лишнюю балансирную ленту я убрал, а оставшуюся пришлось немного укоротить.
Третий шлейф выводится в руле на отдельный 6-ти контактный разъём, а в рулевой колонке провода от него выводятся в отдельное отверстие барабана, в противоположную от остальных проводов сторону. Просто идеально с инженерной точки зрения!
Теперь, под подогрев руля я могу использовать весь третий шлейф целиком – соединив параллельно по 3 дорожки (две широких и одну узкую), я получил два проводника с предельным током 2+2+1=5 А. Более чем достаточно для подогрева мощностью 50 Вт. В цепь подогрева непосредственно перед подрулевым шлейфом я установил предохранитель 5 А — безопасность прежде всего!
После соединения проводов параллельно и установки разъёмов на их концах, я провёл измерения падения напряжения на дорожках шлейфа, а также их нагрев при токе 5 А. Нагрев проводников едва ощущается губой… Падение напряжения составило 0,7 В для каждого проводника. Т.е. общее падение напряжения при пропускании тока через шлейф составило почти 1,5 В, а значит, при напряжении бортовой сети 14,4 В, напряжение на нагревательном элементе (с учётом падения напряжения на остальных проводах) составит 12…12,6 В – не нужно тешить себя мыслями, что нагревательный элемент будет запитываться от 13,8…14,2 В.
Исходя из этого, можно выбирать нагревательный элемент.
Но об этом читайте в следующей части!