Итальянская компания Radio6ense и их словенские коллеги DEWEsoft раскрыли подробности своего сотрудничества с формульной командой Ferrari. Публикация появилась на сайте разработчика. К слову, вышеназванные компании — одни из ключевых игроков на рынке средств измерения и телеметрии для особо сложных отраслей промышленности: космоса, автомобилестроения, оборонки.
Давайте разберемся, как изящно инженеры разрешили ключевую проблему важнейшего компонента нынешней силовой установки «Формулы-1» — контроль за температурой подшипника двигателя-генератора (MGU-K Motor Generator Unit – Kinetic).
Немного истории
Немало в истории «королевских гонок» было революций: маленьких, больших, тихих и чрезвычайно шумных… Вспомнить хотя бы начало турбо-эпохи в конце семидесятых, когда болиды впервые получили энерговооружение 1000+ лошадиных сил. Или внедрение электронных ассистентов вождения, вызвавшее у многих поклонников серии глубочайший скепсис (правда, в нулевых это всё поотменяли).
Когда в 2014 «Формула-1» перешла на гибридные силовые установки — но не совсем как у Toyota Prius — гонки в который раз «стали другими»: невиданная доселе динамика, «электрические обгоны» и технологическое совершенство моторов со скромной кубатурой 1,6 литра, — все это неоднозначно восприняли зрители и вместе с тем потребовался ну просто космический уровень инженерных решений. Первые годы доминировал Mercedes и гонка стала для поклонников скучной, заурядной и предсказуемой. Постепенно Ferrari и Red Bull смогли навязать равную борьбу немцам, и на зрительские трибуны ожидаемо хлынула «свежая кровь».
Что такое MGU-K?
В основе «гибридного болида» по регламенту с 2026 года — силовая установка из бензинового турбомотора V6 и электродвигателя, интегрированного с коробкой передач. Последний при торможении рекуперирует часть энергии, возвращая ее в батарею в виде электричества. Дословно название системы Motor Generator Unit – Kinetic можно перевести как «Модуль двигателя-генератора кинетического действия».
Так вот, контроль состояния подшипника в MGU-K чрезвычайно важен для раннего прогнозирования отказа системы, но удаленно отследить температуру в нем не так просто: сумасшедшая скорость вращения, гигантское количество радиопомех и тесный корпус мешают измерениям. А еще данные требуются максимально точные и без временного лага на передачу и обработку.
А в чем проблема?
«Традиционные датчики могут предоставлять только косвенные данные о высоких температурах. Сигнал усредняется по пространству и фильтруется во времени, что скрывает ранние локальные аномалии, которые инженеры должны обнаруживать», — объясняют специалисты Radio6ense.
Проводные датчики (термопары) давали инженерам хороший результат на испытательном стенде, но, если вам нужны предельно точные сигналы, поставить их получится только на неподвижную деталь. Инфракрасные датчики температуры тоже могут дать ценную информацию, но чтобы датчик «увидел» подшипник, придётся удалить вал и другие детали узла, — не вариант.
Ну и еще одно соображение. Датчики телеметрии, передающие сигнал беспроводным способом, в болиде работают в сложнейших условиях: инвертор машины вносит огромное количество помех. Radio6ense даже называют внедрение датчиков внутрь герметичного электродвигателя «не механической, а электромагнитной задачей».
Решение
Чтобы преодолеть все ограничения, подошла технология RFID — да, практически те самые радиометки, которые лепят на джинсы в магазинах одежды, чтобы никто не воровал из примерочных.
Промышленность исторически широко использовала технологию RFID в диапазоне UHF (860-960 МГц) для идентификации, отслеживания и логистики. Те же физические принципы теперь обеспечивают безбатарейное зондирование благодаря UHF-меткам со встроенными сенсорными микросхемами, которые сообщают температуру подшипника. Пусть технология и не нова, но адаптировать ее к столь сложным условиям — настоящий вызов.
Для применения в MGU-K принцип работы системы прост:
-
Считыватель (активное устройство) размещается полностью вне двигателя;
-
Фиксированная опрашивающая антенна, встроенная в корпус MGU-K, подаёт радиочастотное поле, генерируемое считывателем, внутрь полости;
-
Сенсорная метка, установленная на подшипнике (пассивное устройство), не требует батареи, собирая несколько микроватт энергии радиочастотного поля для работы своей измерительной схемы;
-
Метка передаёт измеренное значение, модулируя поле, которое она отражает обратно к считывателю.
Питание, измерение и связь происходят в рамках одного пассивного взаимодействия — без выделения тепла, без проводов и без электроники, подверженной воздействию внутренней среды двигателя.
... И сразу результат!
Во время тестовой кампании одна из радиометок возвращала данные о сильно повышенной температуре подшипника. Инженеры не стали мириться с аномалией и обнаружили, что дело вовсе не в ошибке датчиков: действительно, подшипник перегревался в проблемной области, и об этом раньше было неизвестно! При этом стендовые испытания с установленным в этой точке проводным датчиком и при том же профиле нагрузок не определяли перегрев. В общем, результат налицо.
Заключение
Как известно, автоспорт для многих производителей это способ в индивидуальном порядке опробовать технологии, которые в дальнейшем можно запустить в серию. Затраты на единичное изделие, конечно, высоки, но зато спортивная победа — мощное моральное (и материальное!) вознаграждение. Вполне возможно, что именно опыт Ferrari для отрасли смарт-подшипников окажется весьма и весьма позитивным. Болеем за итальянскую конюшню!
