Moderní systémy vozidel – „by wire“

Transkript

Moderní systémy vozidel
– „by wire“
Zpracoval: Pavel BRABEC,
Pracoviště: KVM
Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je
spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.
In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích
partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o.
Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro
konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského
sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu
ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj
tvůrčího potenciálu studentů.
Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování
inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat
bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního
konstrukčního řešení strojírenských výrobků.
Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce
strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů,
vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů
podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků.
Délka projektu: 1.6.2009 – 31.5. 2012
Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - obecně
Moderní systémy By - Wire
Elektronika v moderních automobilech neřídí jen činnost motoru, ale
významně se podílí i na činnosti brzd a podvozku.
Zařízení se dokáže starat o co nejlepší využití přilnavosti kol k vozovce, a tím
zejména v kritických situacích o zlepšení jízdních vlastností a ovladatelnosti
vozu.
Podle funkcí je můžeme rozdělit do tří základních skupin:
• protiblokovací brzdové systémy (ABS),
• protiskluzové systémy, zabraňující nežádoucímu protáčení kol při akceleraci
(EDS či ASR, někdy označované TC nebo TCS, apod.),
Dalším stupněm vývoje řídících mechanismů by v blízké budoucnosti
mohly být tzv. systémy By-Wire. Jednoduše by tento termín mohl být
přeložen jako „řízení po drátě“.
Tyto systémy se již běžně používá v letecké technice a u různých
prototypů vozidel.
O jaké systémy by mohlo jít:
- Brake By Wire,
- Steer By Wire,
• systémy ovlivňující jízdní stabilitu (ESP),
- Turbo By Wire
• moderní budoucí systémy.
- Clutch By Wire
-…
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
1
Brake By Wire
Steer By Wire
Steer By Wire - není použita pevná vazba mezi ovládacím členem (volantem)
a řídící tyčí kola
Steer-by-wire system
Conventional steering system
Steer By Wire
Steer By Wire
Steer By Wire
• Tento systém se již běžně používá v letecké technice a u různých prototypů
vozidel, kde k jeho sériovému nasazení zatím brání legislativa. Důkazem
aktuálnosti tohoto problému je velké množství nových moderních vozidel,
které automobilky prezentují na významných autosalonech.
• Velice vhodnou se nabízí kombinace systému steer-by-wire se systémy
ESP.
• Uvolnění „tuhého“ spojení předních kol automobilu by mohlo vytvořit
podmínky pro optimalizaci kinematických vazeb a tím potom zdokonalit
systém směrového řízení.
Zdroj: GM Hy-wire
Zdroj: Citroën C-Crosser
2
Steer By Wire
Steer By Wire
Bertone- SKF Filo - drive by wire
Steer by wire – firma ZF
Guida - driver's control (elektromechanická pohonná jednotka) se
skládá z:
- brake-by-wire calliper
- steering actuator
- clutch actuator.
Steer By Wire
Steer By Wire
3
Steer By Wire
Dynamické aktivní řízení
Steer By Wire
Jelikož sériovému nasazení zatím brání legislativa (přerušení vazby mezi
volantem a řídící tyčí) byly zatím v praxi použity jen tyto dva systémy:
• tento systém sériově používá např. BMW, Audi, Honda…
• dynamické aktivní řízení
• má přerušenou tyč řízení a do tohoto místa vsazen planetový převod, který
je zapojen jako diferenciál s dvěma vstupy (volant, elektromotor) a jedním
výstupem k vlastnímu řízení.
• tato koncepce splňuje zákonnou podmínku pevné mechanické vazby volantkola a zároveň umožňuje měnit převodový poměr řízení a tím vlastní natočení
kol od natočení volantu
• systém 4WS (Four-Wheel-Steering).
• v podstatě lze s tímto systémem natočit kola aniž by se volant pohnul a
naopak, tato vlastnost se používá jednak pro zvýšení komfortu, ale hlavně pro
zvýšení stability v mezních situacích jako doplněk k ESP.
konstrukční uspořádání převodovky aktivního řízení
průběh převodového poměru v závislosti na rychlosti a nastavení
BMW
Audi
BMW
Audi
4
Systém 4WS - princip
obr. vyhýbací manévr s ESP a aktivním
řízením
obr.: brzdění na z části zledovatělé vozovce,
ESP + aktivní řízení
Obr: Způsoby řízení zadních kol
a) nesouhlasné řízení, pro pohyb velmi nízkou rychlostí, pomoc při parkování
(přibližně do 40 km/h); b) konvenční řízení, kola zadní nápravy se nevychylují;
c) souhlasné řízení, pro zvýšení stability při rychlé jízdě.
4WS (Four Wheel Steering System)
Zdroj: NISSAN Infiniti G37
Z obrázku je zřejmé, že natáčení zadních kol může mít příznivý
vliv na stabilitu pohybu vozidla.
Obr: Porovnání vyhýbajícího manévru u vozidla 2WS a 4WS
(zlepšení stability při jízdě vysokou rychlostí) - Zdroj: Mazda
Zdroj: DELPHI QUADRASTEER (fa GM)
5
MECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA PRELUDE (HONDA 4WS)
Nejčastěji se aplikují tři systémy pro ovládání zadních
kol:
• mechanický systém (např. Honda 4WS)
• elektrohydraulický systém (např. Mazda 626, BMW,
Nissan, Mitsubishi Sigma)
• elektromechanický systém (např. Honda E-4WS,
Delphi Quadrasteer, Continental, Renault)
ELEKTRONICKY ŘÍZENÝ HYDRAULICKÝ SYSTÉM - MAZDA 626
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - DELPHI QUADRASTEER (fa GM)
6
Obr.: Schématické znázornění elektricky ovládané hřebenové převodky a celé řiditelné
tuhé zadní nápravy.
(Skládá se ze čtyř hlavních komponentů: čidla úhlů natočení předních kol, řiditelná tuhá
zadní náprava s hypoidním stálým převodem, elektromotor a hlavní řídící jednotka.)
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - GCC (Global Chassis Control)
fa Continental
fa Continental
Global Chassis Control (GCC) targets, in the case of a given configuration
of electronically controlled chassis-subsystems (ESC, CDC, EAS, EPS, AFS,
4WS, ARS, ...) under respective given driving conditions the global
optimization of
• active safety
 driving comfort
 driving pleasure/fun
ESC - Electronic Stability Control
ARP - Active Rollover Protection
CDC - Continuous Damping Control
EAS - Electronic Air Suspension
EPS - Electric Power Steering
AFS - Active Front Steering
4WS - 4-Wheel Steering
ARS - Active Roll Stabilization
RWS - Rear wheel steering
7
fa Continental
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA E-4WS
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA E-4WS
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - Renault Laguna GT
8
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM – NISSAN Infiniti G37 (Renault Laguna GT)
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM – BMW řady 5
Nové BMW řady 5, 7
26. 11. 2009
Osmistupňová převodovka, elektromechanické řízení, řízení všech kol, systém
nočního vidění s rozpoznáváním chodců, parkovací asistent, prostorové vidění
při parkování... To jsou jen malé ochutnávky z šesté generace pětkové řady.
4 Wheel Active Steer (4WAS)
9
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM – BMW řady 5
4WS - Princip činnosti řídicího sytému
Sní
rotační rychlosti a
Snímání rotač
příčného zrychlení
zrychlení vozu,
otá
otáčení
ení volantu
Vstupní
Vstupní data od
sní
mače rychlosti
snímač
vozidla
Nové BMW řady 5, 7
26. 11. 2009
Osmistupňová převodovka, elektromechanické řízení, řízení všech kol, systém
nočního vidění s rozpoznáváním chodců, parkovací asistent, prostorové vidění
při parkování... To jsou jen malé ochutnávky z šesté generace pětkové řady.
Vstupní
veličiny
Vstupní velič
Výpoč
Výpočet rychlosti
vozidla
Výpoč
Výpočet rychlosti natoč
natočení
ení
volantu (kol)
Výpoč
natočení
zadních kol
Výpočet úhlu natoč
ení zadní
feedback
www
Výpoč
veličiny pro
Výpočet řídící velič
ovlá
dač
ovládač
Silový obvod
Řídící jednotka
Sní
mač řízení
zení
Snímač
zadní
zadních kol
Poruchové
Poruchové
velič
veličiny
Ovlá
dač řízení
zení
Ovládač
zadní
zadních kol
Simulační model automobilu s řízením zadních kol
úkol:
• simulace průjezdu zatáčkou, a to pro model osobního
automobilu se všemi řízenými koly
• a to simulace na jednostopém a dvoustopém modelu
popis:
• Zavedením aktivně řízených kol zadní nápravy jsou sledovány
dva cíle. Jednak zlepšení obratnosti při pomalé jízdě, ale také
zlepšení stability při jízdě vysokou rychlostí.
• Matematický popis obecného pohybu vozidla představuje velmi
složitý úkol. Pro simulaci se využívá modelů, které jsou vhodně
zjednodušeny.
1. Lineární jednostopý model vozidla se všemi řízenými koly
Jz 
p
Hp
v
v (
Ov
v

T
z
Hz
Sz
mv
Sp
N

m v (
e
lp
lz
10
Nyní můžeme napsat podle předchozího obrázku tři pohybové
rovnice:
ve směru osy X
- m  v  cos  + m  v  ( +  )  sin  - SP  sin 
- OV = 0
P
- SZ  sin  Z + HP  cos  P + HZ  cos 
Z
ve směru osy Y
- m  v  sin  - m  v  ( +  )  cos  + SP  cos 
+N=0
P
+ SZ  cos  Z + HP  sin  P + HZ  sin 
Z
rovnováha momentů kolem osy Z
- JZ   + SP  lP  cos  P - SZ  lZ  cos  Z + HP  lP  sin  P + HZ  lZ  sin  Z + N  e = 0
Boční síly na nápravách se rovnají
p
p
P okamžitý pól otáčení
vp
lp 
v
lp / v

v
z
z
v
T
kde CP je směrová tuhost obou pneumatik přední nápravy (tj. součet
směrové tuhosti levé a pravé pneumatiky) a podobně CZ je směrová
tuhost pneumatik zadní nápravy.
Úhel směrové úchylky kola byl definován jako úhel mezi podélnou a
rovinou kola a směrem pohybu kola, takže pro malé úhly platí
vz

lz 
z ,

lz / v

SP  CP   p, SZ  CZ  
lp
lz
Obr.: Kinematika jednostopého modelu pro určení směrových úchylek náprav
lP
  +  P
v
lZ
 z = -     +  Z .
v
 p = - -
11
Upravené
Upravené rovnice pro simulaci
Určení polohy vozidla vzhledem k pevnému systému :
Vybočení je určeno hodnotami úhlu . Stáčení vozidla je určeno úhlem .
Soustava je buzena budicí funkcí (změnou úhlu natočení volantu): V(t)
t
xo =  vT  cos +    dt ,
0
t
yo =  vT  sin +    dt .
 C´p  lP - Cz  lZ 
C´p + Cz
Cz
C´p
 = - 1 +
2
   - m  v   + m  v   Z + m  i  v   v
m

v


ř
 = -
C´p  lP 2 + Cz  lZ 2
C´p  lP - Cz  lZ
Cz  lZ
C´p  lP
    Z

.
v
JZ  v
JZ
JZ
JZ  iř
0
Boční zrychlení (pro konstantní rychlost jízdy):
y = v   +   .
2. Lineární dvoustopý model automobilu se všemi řízenými koly
Rovnice pro dvoustopý model automobilu:
rovnováha sil ve směru osy Y
- m  v       m  h   S p  S z  S p  S z  0
rovnováha momentů kolem osy Z
- Jz    lp - n p   S p  lz  n z   S z  lp  n p   S p  lz  n z   S z   MGZ  0
rovnováha momentů kolem osy X
- J  - K  - C   G  h   h  S p  h  S z  h  S p  h  S z   MGX  0
rovnováha momentů vzhledem k osám rejdových čepů (přední náprava)




  
 v   
   - Křp    p - 
- Jo   p    - Cřp    p -
   - nkp  n p   S p - nkp  n p   S  p
iřp    p 
   p 


 2  MGZp  0
rovnováha momentů vzhledem k osám rejdových čepů (zadní náprava)




  
 v   
   - Křz    z - 
- Jo   z    - Cřz    z -
   - nkz  n z   S z - nkz  n z   S z
iřz    z 
   z 


 2  MGZz  0
C p 
boční síla od směrové úchylky na přední nápravě S p  v  Csp  S p  C p   p
boční síla od směrové úchylky na zadní nápravě
S z 
C z 
 S z  C z   z
v  Csz
12
Po dosazení lze diferenciální pohybové
rovnice dvoustopého modelu vozidla
upravit na tvar:
Soustavy byly buzeny funkcemi P=P(t), Z=Z(t), které měly průběh
jedné periody sinusoidy a trvaly přibližně 2 sekundy.
4
0.4
3
0.3
2
0.2
1
0.1
beta z [stupne]
  f2 ,  ,  , S p , S z 
  f3 ,  ,  ,  , S p , S z ,  p ,  z 
S  p  f4 ,  , S p ,  p 
S  z  f5 ,  , S z ,  z 
 p  f6 ,  ,  , S p , S z ,  p ,  p ,  V 
 z  f7 ,  ,  , S z , S z ,  z ,  z ,  V 
Porovnání výsledků:
beta p [stupne]
Tyto všechny rovnice je možno shrnout do sedmi rovnic s proměnnými:
• úhel směrové úchylky 
• stáčivá rychlost 
• úhel klopení 
• boční síla od směrové úchylky na přední nápravě Sp
• boční síla od směrové úchylky na zadní nápravě Sp
• úhel natočení předních kol P
• úhel natočení zadních kol Z
Nezávisle proměnnou a budící funkcí vozidlového systému je úhel natočení
volantu V.
  f1 ,  ,  ,  , S p , S z ,  p ,  z 
0
-1
-2
-0.2
-3
-4
-0.3
0
1
2
3
t [sec]
4
5
1
2
3
t [sec]
4
1
0.5
0.5
0
-0.5
-1.5
-1.5
-2
-2
-2.5
-2.5
2
3
t [sec]
4
5
6
5
5
-0.5
-1
6
6
0
-1
7
7
4
4
eps [stupne]
1
8
eps [stupne]
1.5
alfa [stupne]
2
1.5
6
Úhel stáčení vozidla 
2.5
2
5
Zatočení zadních kol Z
2.5
alfa [stupne]
0
Odchylka směru vozidla 
1
-0.4
6
Zatočení předních kol P
0
0
-0.1
3
2
3
2
1
1
0
0
-1
0
Jednostopý model
1
2
3
t [sec]
4
Dvoustopý model
5
6
-2
0
1
2
3
t [sec]
4
5
6
-1
0
Jednostopý model
1
2
3
t [sec]
4
5
6
Dvoustopý model
13
Příčné (boční) zrychlení y
6
Vybočení se směru (odchylka dráhy) y
5
3
3
2.5
2.5
4
4
3
0
-2
2
2
1.5
1.5
y [m]
y'' [m/s2]
y'' [m/sec2]
1
0
-1
-2
y [m]
2
2
1
1
0.5
0.5
-3
-4
0
0
-4
-6
0
1
2
3
t [sec]
4
5
6
-5
0
Jednostopý model
1
2
3
t [sec]
4
5
6
Dvoustopý model
-0.5
0
1
2
3
t [sec]
4
5
6
-0.5
0
1
Jednostopý model
2
3
t [sec]
4
5
6
Dvoustopý model
ŘÍZENÍ ZADNÍCH KOL S KOMPENZACÍ ÚHLU SMĚROVÉ ÚCHYLKY
TĚŽIŠTĚ
Vyhodnocení výsledků simulace:
Z výše uvedených grafů je zřejmé, že výsledné průběhy jsou téměř
shodné. Velikosti odchylek hodnot jsou způsobeny tím, že u
dvoustopého modelu byly uvažovány tuhosti řízení a samořízení
vlivem klopení karoserie. Z odvozených rovnic je zřejmé, že
jednostopý model je podstatně jednodušší pro modelování. Bylo
zde provedeno více zjednodušení, přesto bylo dosaženo velmi
dobrých výsledků, které mohou být důležité pro návrh a konstrukci
řídicího systému. Z dvoustopého modelu lze získat navíc údaj o
klopení karoserie. Je třeba ovšem zadat více vstupních parametrů,
které nelze často dobře zjistit.
Bylo využito jednostopého simulačního modelu.
Kritériem kompenzace úhlu směrové úchylky těžiště je jeho nulová
hodnota, resp. nulová hodnota jeho první derivace (  =  = 0 , a pro
ustálený pohyb  = konst., tzn.  = 0 ). Po dosazení těchto podmínek do
dvou lineárních pohybových rovnic lze odvodit teoretickou závislost pro
potřebný úhel natočení zadních kol.
14
TĚŽIŠTĚ
TĚŽIŠTĚ
Charakteristika pro řízení zadních kol om ezená
boční stabilitou   0,8
4
3,5
4
3
2,5
 Z [°]
2
1,5
1
4
0,5
3
2
0
200
160
5
3,5-4
3-3,5
2,5-3
2-2,5
1,5-2
1-1,5
0,5-1
0-0,5
 P [°]
1
120
v [km/h]
80
40
0
0
mezní oblast boční stability
3,5
3
3,5-4
3-3,5
2,5
 Z [°]
náročná
oblast
2
2,5-3
2-2,5
1,5-2
1,5
1-1,5
1
5
0,5
normální oblast boční
stability
0
200
160
0,5-1
0-0,5
3
2
 P [°]
1
120
v [km/h]
4
80
40
0
0
TĚŽIŠTĚ
TĚŽIŠTĚ
Vstupní data simulačního modelu:
betapst=2
betazst
v=100
m=1400
Cap=45000
Caz=45000
lp=1.107
lz=1.413
Jz=1670
úhel zatočení předních kol (stupně)
úhel zatočení zadních kol (stupně) - se počítá
řízení zadních kol s kompenzací úhlu směrové úchylky
těžiště
rychlost vozidla (km/h)
celková hmotnost vozidla (kg)
stáčivá tuhost obou předních pneumatik (N/rad)
stáčivá tuhost obou zadních pneumatik (N/rad)
vzdálenost přední nápravy od těžiště (m)
vzdálenost zadní nápravy od těžiště (m)
moment setrvačnosti vozidla k svislé ose (kg/m2)
15
TĚŽIŠTĚ
3
Porovnání 2WS a 4WS pro
stejnou dráhu
2 .5
2
6
4
2.5
2.5
2WS
2WS
2WS
[m] 2
alfay[stupne]
beta
eps
y''zp[stupne]
[m/s
[stupne]
]
2
3
4
2
1.5
2
1
2
1.5
1
0.5
1 .5
y [m]
4WS
4WS
4WS
1
0 .5
0
10
0
-0.5
-1
-2
0.5
-1
-2
-1.5
-4
0
-3
-2
-6
-4
-2.5
-0.5
0
00
-0 .5
1
11
2
22
3
33
4
44
5
55
ttt [sec]
[sec]
[sec]
6
66
7
77
8
88
9
99
10
10
10
4W S
2W S
0
1
2
3
t [s ec ]
4
4WS (Four Wheel Steering System)
Steer By Wire – TUL KVM
Production cars with active four wheel steering
BMW 850CSi (optional)
BMW 7-Series (2009 onwards, part of sport package)
Chevrolet Silverado (2002-2006) (high and low speed)
Efini MS-9 (high and low speed)
GMC Sierra (2002) (high and low speed)
Honda Prelude (high and low speed, fully mechanical from
1987 to 1991)
Honda Prelude (high and low speed, fully electronic from
1991 to 2001)
Honda Accord (1991) (high and low speed, mechanical)
Infiniti FX50 AWD (option on Sports package) (2008-Present)
(high and low speed, fully electronic)
Infiniti G35 Sedan (option on Sport models) (2007-Present)
(high speed only?)
Infiniti G35 Coupe (option on Sport models) (2006-Present)
(high speed only) [3]
Infiniti G37
Infiniti J30t (touring package) (1993-1994)
Infiniti M35 (option on Sport models) (2006-Present) (high
speed only?)
Infiniti M45 (option on Sport models) (2006-Present) (high
speed only?)
Infiniti Q45t (1989-1994) (high speed only?)
Mazda 929 (1992-1997)(computerised, high and low speed)
(all models)
Mazda 626 (1988) (high and low speed)
6
Obr.: Simulace vyhýbajícího manévru u vozidla 2WS a 4WS s řízením zadních kol s
kompenzací úhlu směrové úchylky těžiště
Mazda MX-6 (1989-1997) (high and low speed)
Mazda RX-7 (optional, computerized, high and low speed)
Mazda Eunos 800 (1996-2003) (Optional, computerized, high
and low speed)
Mitsubishi Galant/Sigma (high speed only)
Mitsubishi GTO (also sold as the Mitsubishi 3000GT and the
Dodge Stealth) (Mechanical) (high speed only)
Nissan Cefiro (A31) (high speed only)
Nissan 240SX/Silvia (option on SE models) (high speed only)
Nissan 300ZX (all Twin-Turbo Z32 models) (high speed only)
Nissan Laurel (later versions) (high speed only)
Nissan Fuga/Infiniti M (high speed only)
Nissan Silvia (option on all S13 models) (high speed only)
Nissan Skyline GTS, GTS-R, GTS-X (1986) (high speed
only)
Nissan Skyline GT-R (high and low speed)
Renault Laguna (only in GT version of 3rd generation which
was launched October 2007, GT launched on April 2008)
Subaru SVX JDM (1991-1996) (Japanese version: "L-CDX"
only) (high speed only)
Toyota Aristo (1997) (high and low speed?)
Toyota Camry JDM 1990-1992 Camry Prominent
(Optional)(high and low speed)[citation needed]
Toyota Celica (option on 5th and 6th generation, 1990-1993
ST183 and 1994-1997 ST203) (Dual-mode, high and low
speed)
Toyota Soarer (UZZ32)
(Zdroj: http://cs.wikipedia.org)
5
Steer By Wire
Na našem pracovišti vzniklo experimentální laboratorní stanoviště pro měření a
optimalizaci elektrohydraulického systému steer-by-wire.
Zkušební zařízení je navrženo:
• pro zkoušení systému při nulové rychlosti – situace při parkování,
• umožní rychlé přizpůsobení stanoviště pro použití různých náprav automobilů a pneumatik,
• umožní simulaci chování systému pro různé typy povrchů s rozdílným součinitelem adheze,
• umožní vytvářet změnu zatížení nápravy např. v závislosti na obsazení vozu.
Cíl do budoucna:
• stanoviště s elektromechanickým systémem
• použití v automobilu
16
Obr.: Laboratorní model (speciální zkušební
zařízení v laboratoři katedry vozidel a motorů)
– k ovládání každého z kol je užito
mechanismu s lineárními hydromotury. Pro
řízení a sběr dat byla použita multifunkční karta
MF624 a software Matlab/Simulink a rovněž i
měřicí ústředna MGCplus (Hottinger Baldwin
Messtechnik GmbH), software catman®Easy.
Obr.: Prototypové vozidlo P1 Stanfordské univerzity
podporované firmou Nissan.
Obr.: Evpropská unie podpořila v letech 2004
– 2007 projekt 26 firem s názvem SPARC
vedený společností DaimlerChrysler AG.
Steer By Wire
Nejprve bylo nutné navrhnout potřebný výkon systému, tzn. identifikovat možné silové
zatížení mechanismu řízení.
a) síly vznikající při parkování – převažuje odporová síla vznikající při smýkání
pneumatiky po vozovce
Bylo nutné provést měření:
a) síly vznikající při parkování – převažuje odporová síla vznikající při smýkání
pneumatiky po vozovce
b) síly vzniklé při jízdě – převažují dynamické síly dané rychlou změnou a boční síly
vzniklé při průjezdu zatáčkou
17
- tzv. „losí“ test
- tzv. „losí“ test
Steer By Wire – TUL KVM – Simulační model
Popis simulačního modelu – „Vozidlo se systémem steer-by-wire na přední
nápravě“
Hydraulický obvod
Tento simulační model se skládal z dalších zvlášť simulovaných dílčích subsystémů.
Schématický popis celého systému je znázorněn na následujícím obrázku.
Tento simulační model se skládal z dalších zvlášť simulovaných dílčích subsystémů.
Schématický popis celého systému je znázorněn na následujícím obrázku.
1
3
2
4
Obr. Model s jednotlivými submodely: 1. model buzení (velikost napěťového signálu v %),
2. model hydraulického obvodu, 3.model mechanismu řízení kol (výchylka zatočení kol přední
nápravy určená z vysunutí pístnice řízení), 4. model vozidla (simulace jízdy vozidla - určení
trajektorie jízdy a dynamických sil působící na automobil).
Obr.:Ilustrativní obrázek hydraulického
obvodu.
Obr.: Simulovaný elektrohydraulický
systém řízení vozidla steer-by-wire.
18
Hydraulický obvod
Hydraulický obvod - Ventil
Tento simulační model se skládal z dalších zvlášť simulovaných dílčích podsystémů
(ventil pro plynulou regulaci průtoku, přímočarý hydromotor). Proporcionální ventil
nám zastupoval akční člen, do kterého bylo přiváděno vstupní buzení (tj. velikost
napěťového signálu na ovládacím ventilu – tento signál odpovídá úhlu natočení
volantu).
Dynamické vlastnosti ventilu lze modelovat
pomocí
proporcionálního
členu
se
setrvačností 2.řádu popsaného diferenciální
rovnicí. Průtoková charakteristika ventilu je
modelována v závislosti na aktuálních
tlakových spádech na jednotlivých řídicích
hranách ventilu.
Všechny prvky modelu musely být přesně popsány pomocí matematických rovnic, a ty
všechny byly později „ručně“ namodelovány.
Lineární část modelu je vhodné doplnit o
typické nelinearity vyskytující se u
servoventilu, tj. omezení maximálního
zdvihu šoupátka a maximální rychlosti
otevření servoventilu, kterou lze stanovit z
přechodové
charakteristiky
uváděné
výrobcem pro úplné otevřený ventil, tyto
parametry
modelu
lze
stanovit
z
katalogových listů uváděných výrobci
ventilů.
T12  xv  2    T 1  x v  xv  Ksv  u
Qi  B  xv  sgn pi  pi
Obr.: Simulační schéma modelu proporcionálního ventilu.
Hydraulický obvod - Hydromotor
Mechanismus řízení kol
Matematický model přímočarého
hydromotoru vychází z pohybové
rovnice a z rovnic pro tlaky v
pracovních
prostorech
hydromotoru, ve kterých jsou
hydraulické
kapacity,
model
objemové pružnosti kapaliny a
průtok vlivem prosaků (vnitřní a
vnější svodová propustnost) – tzn.
máme tři diferenciální rovnice.
Subsystém obsahuje odvozenou kompletní kinematiku zjednodušeného řídícího
mechanismu kol přední nápravy a přepočítává hodnotu vysunutí pístní tyče u
hydromotoru na úhel zatočení předních kol.
y =
  arctg
 l3 2  l1 - x 2  l4 2  b 2 
l1 - x

- arcsin 

b
2  l4  A


A  b 2  l1 - x 
2
1
 S A  pA - SB  pB - F - b  y 
m
dpA
K
= QA - Cip  pA - pB - Cep  pA - SA  v 
dt
VA
dpB
K
= SB  v - Cip  pA - pB  - Cep  pB - QB
dt
VB
Obr.: Schéma mechanismu řízení kol přední nápravy.
19
Model vozidla
Ukázka výsledků simulace
Tento subsystém byl použit pro simulaci jízdy vozidla v zatáčce, resp. obecně po
zakřivené trajektorii. K vyřešení řiditelnosti a stability automobilu se s výhodou používá
jednostopý rovinný dynamický model automobilu, který je vhodný svou jednoduchostí ale
zároveň i přesností. Vstupem do „modelu vozidla“ byl úhel zatočení předních kol.
Linearizací a úpravou rovnic obdržíme pro obecný pohyb vozidla soustavu dvou
lineárních diferenciálních rovnic druhého řádu.
Tento model lze použít pro matematickou simulaci složitého dynamického systému. Pro
ilustrativní případ bylo zvoleno skokové buzení systému pomocí vstupního napěťového
signálu na proporcionální ventil. Výsledky simulace jsou zobrazeny na následujících
obrázcích U modelu lze aplikovat různé typy buzení, které nahrazují reálné situace
vznikající při jízdě na silnicích, jako je například buzení bočním větrem.
Na následujících grafech je ukázka reakce systému na skokovou změnu.
Budici signal u [%]
15
10
5
0
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
15
4
2
0
-2
4
20
6
0
0.5
90
80
70
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
5
-5
100
60
10
0
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
4
Vysunuti pistnice hydromotoru y [mm]
0.5
1
8
Budici signal u [%]
Tlaky v hydromotoru p [MPa]
20
0
10
Prutoky u hydromotoru [litr / min]
-5
4
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
4
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
0
0.5
100
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
4
90
80
70
60
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
4
20
10
5
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
20
4
15
3
2
1
-1
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
80
70
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
0.01
0.005
0
-0.005
-0.01
-0.015
4
4
60
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
2.5
3
3.5
4
2
10
5
0
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
-5
4
90
80
70
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
Sila na pistnici [N]
15
100
60
2.5
3
3.5
4
600
20
4
Budici signal u [%]
Bocni zrychleni [m/s2]
Budici signal u [%]
6
0
2
Time [sec]
4
800
0
3.5
4
5
3
70
10
2.5
80
15
1.5
2
Time [sec]
20
1
1.5
90
8
0.5
1
0
0.5
100
-5
0
4
90
0
5
-5
100
60
10
0
0
4
0
0.015
5
Budici signal u [%]
Uhel zatoceni prednich kol [°]
Budici signal u [%]
15
-5
6
20
Staciva rychlost vozidla [rad/sec]
4
400
200
0
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
4
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
100
90
80
70
60
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
4
21
Na závěr – aktuální odkazy
Budici signal u [%]
20
15
Auto, které jezdí bez řidiče, zvládlo první test. Jízdu městem
10
(8. října 2010) lidovky.cz – www
5
Revoluce! Po ulicích už jezdí auta bez řidičů... (10.10. 19:30) tn.cz -
0
-5
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
www
4
Google chystá auto, které nepotřebuje řidiče. Nyní jezdí v
USA (11. října 2010) technet.idnes.cz – www
100
90
Čtveřice aut bez řidičů dojela z Itálie do Šanghaje (5. listopadu 2010)
80
novinky.cz - www
Trajektorie vozidla
70
60
0
0.5
1
1.5
2
Time [sec]
2.5
3
3.5
4
Na závěr – vícenapěťový systém vozidla
Moderní
systémů (by wire,
aktivních systé
více elektrických aktivní
používat ví
Moderní automobil bude použ
pohony pomocí
systému,
elektromotorů – posilovač
posilovač řízení
zení, čerpadlo chladí
pomocí elektromotorů
chladícího systé
kompresor klimatizace, …), které
potřebovat vě
které budou potř
větší výkony. Proto se
uvaž
ových systé
rovňových napěť
ceúrovň
ití víceú
použití
uvažuje o použ
napěťových
systémů.
22
ISAD – Integrated Starter Alternator Damper
ISAD – Integrated Starter Alternator Damper
ISAD funkce a užití:
Motor
• rychlejší a klidnější start motoru
• automatický start a stop zařízení
• funkce setrvačníku
• tlumič nepravidelného běhu a
kmitání motoru
• synchronizace spínání
alternátor
• vysoký výkon
• Multivoltage technologie
• regenerační brzdění
• elektrifikace různých doplňků
Výhody:
• vysoká účinnost (> 80%)
• vysoký výkon generátoru (8 kW a
více)
• podporuje vícenapěťový elektrický
systém
• zmenšení nepravidelného běhu a
kmitání motoru
• další elektromotorický kroutivý
moment (pomoc při rozjezdu)
• start motoru - tichý, odolný proti
opotřebení
• nízké ztráty a minimální vnitřní
odpor
Děkuji za pozornost.
23

Moderní systémy vozidel – „by wire“

Transkript

Podobné dokumenty

Systémy řízení zadních kol automobilu

Směrové řízení vozidla

Directional Vehicle Stability Prototyping Using HIL Simulation

Akce_NND001 Strana: 1 30.10.2012

Senzory pro malé mobilní roboty - České vysoké učení technické v

autobusy s vysokou úrovní služeb v zemích západní

Vysílače – modulové, do krabice a jiné Přišel čas na komfort

vliv protektorovaných pneumatik na aktivní bezpečnost

BRZDOVÉ SYSTÉMY OSOBNÍCH A UŽITKOVÝCH AUTOMOBILŮ

pracovní světlomety

světlo

tisková informace - PRESS KIT ARCHIVE

CYCL-consumer report TRAILERS czech

edirol r-09

truck inzert 2010-06 odtagováno.indd - TRUCK

hevery teleskopická pístnice 6 - 15t

FLAGON AT WPSIT 0009 CZ 2015 07