Systémy řízení zadních kol automobilu

Transkript

Systémy řízení zadních kol
automobilu
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
Systém 4WS - princip
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.
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
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
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)
MECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA PRELUDE (HONDA 4WS)
ELEKTRONICKY ŘÍZENÝ HYDRAULICKÝ SYSTÉM - MAZDA 626
ELEKTROHYDRAULICKÝ SYSTÉM - BMW AHK (Aktive Hinterachskinematik)
tlakový
zásobník
kontrolka
řídicí jednotka
tříokruhové čerpadlo
snímač
rychlosti jízdy
snímač úhlu volantu
snímače otáček kol ABS
zásobní nádrž
polohovací jednotka
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - DELPHI QUADRASTEER (fa GM)
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
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
fa Continental
fa Continental
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA E-4WS
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA E-4WS
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - Renault Laguna GT
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM – NISSAN Infiniti G37 (Renault Laguna GT)
4 Wheel Active Steer (4WAS)
4WS - Princip činnosti řídicího sytému
Snímání rotační rychlosti a
příčného zrychlení vozu,
otáčení volantu
Vstupní data od
snímače rychlosti
vozidla
Vstupní veličiny
Výpočet rychlosti
vozidla
Výpočet rychlosti natočení
volantu (kol)
feedback
Výpočet úhlu natočení zadních kol
Výpočet řídící veličiny pro
ovládač
Silový obvod
Řídící jednotka
Snímač řízení
zadních kol
Ovládač řízení
zadních kol
Poruchové
veličiny
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
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 
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
Z
p
p
P okamžitý pól otáčení
vp
lp 
v
lp / v

v
z
z
v

lz / v

T
vz

lz 
lp
lz
Obr.: Kinematika jednostopého modelu pro určení směrových úchylek náprav
Boční síly na nápravách se rovnají
SP  CP   p, SZ  CZ  
z ,
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
lP
  +  P
v
lZ
 z = -     +  Z .
v
 p = - -
Upravené rovnice pro simulaci
Vybočení je určeno hodnotami úhlu . Stáčení vozidla je určeno úhlem .
Soustava je buzena budicí funkcí (změnou úhlu natočení volantu): V(t)
 C´p  lP - Cz  lZ 
C´p + Cz
Cz
C´p
    +
 Z+
 
 = - 1 +
2
v
mv
mv
mv
m  iř  v


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
Určení polohy vozidla vzhledem k pevnému systému :
t
xo =  vT  cos +    dt ,
0
t
yo =  vT  sin +    dt .
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  
- Jo   p    - Cřp    p - 
iřp  

 2  MGZp  0



 
   - Křp    p - 
 p 
 



   - nkp  n p   S p - nkp  n p   S p
 p 
rovnováha momentů vzhledem k osám rejdových čepů (zadní náprava)

 v  
- Jo   z    - Cřz    z - 
i
řz
 

 2  MGZz  0



 
   - Křz    z - 
z 
 



   - nkz  n z   S z - nkz  n z   S z
z 
boční síla od směrové úchylky na přední nápravě
S p 
C p 
 S p  C p   p
v  Csp
boční síla od směrové úchylky na zadní nápravě
S z 
C z 
 S z  C z   z
v  Csz
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 
Po dosazení lze diferenciální pohybové
rovnice dvoustopého modelu vozidla
upravit na tvar:
  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:
4
0.4
3
0.3
2
0.2
1
0.1
beta z [stupne]
beta p [stupne]
Soustavy byly buzeny funkcemi P=P(t), Z=Z(t), které měly průběh
jedné periody sinusoidy a trvaly přibližně 2 sekundy.
0
-1
0
-0.1
-2
-0.2
-3
-0.3
-4
0
1
2
3
t [sec]
4
5
6
-0.4
0
Zatočení předních kol P
1
2
3
t [sec]
4
5
Zatočení zadních kol Z
6
2.5
2.5
2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
alfa [stupne]
alfa [stupne]
Odchylka směru vozidla 
0
-0.5
0
-0.5
-1
-1
-1.5
-1.5
-2
-2
-2.5
0
1
2
3
t [sec]
4
5
6
-2.5
0
Jednostopý model
1
2
3
t [sec]
4
Dvoustopý model
5
6
Úhel stáčení vozidla 
8
7
7
6
6
5
4
4
eps [stupne]
eps [stupne]
5
3
2
3
2
1
1
0
0
-1
-2
0
1
2
3
t [sec]
4
5
6
-1
0
Jednostopý model
1
2
3
t [sec]
4
Dvoustopý model
5
6
Příčné (boční) zrychlení y
6
5
4
4
3
2
1
y'' [m/s2]
y'' [m/sec2]
2
0
-2
0
-1
-2
-3
-4
-4
-6
0
1
2
3
t [sec]
4
5
6
-5
0
Jednostopý model
1
2
3
t [sec]
4
Dvoustopý model
5
6
3
3
2.5
2.5
2
2
1.5
1.5
y [m]
y [m]
Vybočení se směru (odchylka dráhy) y
1
1
0.5
0.5
0
0
-0.5
0
1
2
3
t [sec]
4
5
6
-0.5
0
Jednostopý model
1
2
3
t [sec]
4
Dvoustopý model
5
6
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.
ŘÍZENÍ ZADNÍCH KOL S KOMPENZACÍ ÚHLU SMĚROVÉ ÚCHYLKY
TĚŽIŠTĚ
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.
TĚŽIŠTĚ
4
3,5
3
2,5
 Z [°]
2
1,5
1
4
0,5
3
2
0
200
160
1
120
v [km/h]
80
40
0
0
5
 P [°]
3,5-4
3-3,5
2,5-3
2-2,5
1,5-2
1-1,5
0,5-1
0-0,5
TĚŽIŠTĚ
Charakteristika pro řízení zadních kol omezená
boční stabilitou   0,8
4
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
0,5
4
normální oblast boční
stability
0
200
160
3
2
1
120
v [km/h]
80
40
5
0
0
 P [°]
0,5-1
0-0,5
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)
TĚŽIŠTĚ
TĚŽIŠTĚ
Porovnání 2WS a 4WS pro
stejnou dráhu
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
4WS
4WS
4WS
0
10
-0.5
-1
-2
0.5
-1
-2
-1.5
-4
0
-3
-2
-6
-4
-2.5
-0.5
0
00
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
3
2.5
2
y [m]
1.5
1
0.5
0
-0 . 5
4W S
2W S
0
1
2
3
t [s ec ]
4
5
6
Obr.: Simulace vyhýbajícího manévru u vozidla 2WS a 4WS s řízením zadních kol s
kompenzací úhlu směrové úchylky těžiště
4WS (Four Wheel Steering System)
Závěr:
Konstrukce podvozku s řízenými koly zadní
nápravy je náročnější a také nákladnější oproti
tradičnímu uspořádání.
Z výsledků simulace je zřejmé, že natáčení
zadních kol může mít příznivý vliv i na stabilitu
pohybu, a to zejména při změnách směru jízdy ve
vysokých rychlostech.
Zdroj: NISSAN Infiniti G37
Zdroj: DELPHI QUADRASTEER (fa GM)
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)
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)

Systémy řízení zadních kol automobilu

Transkript

Podobné dokumenty

Moderní systémy vozidel – „by wire“

Směrové řízení vozidla

automobilové techniky

Od Niagary na Yukon 2004

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

Ceník Cena CZK Číslo výrobku Rok Auto AUDI BMW BENZ

Prodejce: Kontakt: Roman Potakh www.breker.cz tel.602773617

Návod k obsluze

Honzův Průvodce koupí auta na Novém Zélandu

STOPTECH PREMIUM OEM BRAKE DISCS

Ceník VOGTLKAND-výprodej

Directional Vehicle Stability Prototyping Using HIL Simulation

FLAGON AT WPSIT 0009 CZ 2015 07

ZIMNÍ KAMPAŇ NISSAN – CENÍK DÍLŮ SE SLEVOU