4WS – řízení zadních kol Pavel Brabec1), Miroslav Malý2), Robert Voženílek3)
Abstract Four-Wheel Steering – Rear Wheels Control. For parking and low-speed maneuvers, the rear wheels steer in the opposite direction of the front wheels, allowing much sharper turns. At higher speeds, the rear wheels steer in the same direction as the front wheels. The result is more stability and less body lean during fast lane changes and turns because the front wheels don’t have to drag non-steering rear wheels onto the path.
Úvod Zvyšující se nároky na úroveň dopravy osob i nákladů staví konstruktéry před nové a nové technické problémy. Mezi tradiční patří řiditelnost a stabilita vozidla. Koncem minulého století se konstruktéři vážně zabývaly myšlenkou jak zvýšit stabilitu a obratnost osobních a užitkových automobilů. Někteří výrobci nabídli vozidla s řiditelnou zadní nápravou. Řízení kol bylo jak pasivní – výchylka zadních kol byla vyvolána silovými účinky při jízdě zatáčkou, tak i aktivní. Aktivní řízení zadní nápravy umožnilo lepší ovladatelnost vozidla, a to jak při pomalé jízdě a manévrování na omezeném prostoru (parkování apod.), tak i při změnách směru jízdy vysokou rychlostí. Aktivní řízení zadních kol Zavedením aktivně řízených kol zadní nápravy jsou sledovány dva cíle. Jednak zlepšení obratnosti při pomalé jízdě, ale také zlepšení stability při jízdě vysokou rychlostí.
Obr.1 Způsoby řízení zadních kol: a) nesouhlasné řízení; pro pohyb velmi nízkou rychlostí (přibližně do 40 km/h) b) konvenční řízení; kola zadní nápravy se nevychylují, c) souhlasné řízení; pro zvýšení stability při rychlé jízdě (nad 40 km/h).
1
Ovládání výchylky zadních kol je prováděno zpravidla v závislosti na natočení volantu, ale ve dvou fázích, které jsou voleny s ohledem na rychlost vozidla. První fáze přísluší jízdě nízkou rychlostí. V této fázi jsou zadní kola natáčena proti smyslu natočení kol přední nápravy, dochází k redukci poloměru zatáčení – pól pohybu se vozidlu přiblíží a trajektorie pohybu vozidla může být více zakřivena. Druhá fáze přísluší jízdě vysokou rychlostí a zadní kola jsou natáčena ve smyslu natočení kol přední nápravy, dochází k nárůstu poloměru zatáčení, současně však celé vozidlo vybočuje z původní dráhy. Pro tyto protichůdné požadavky je proto nutné najít takové technické řešení, které podle zamýšleného jízdního manévru zajistí souhlasné nebo nesouhlasné řízení zadních kol. Z technického hlediska je zajištění natáčení zadních kol poměrně náročné, neboť je třeba, aby zavěšení kola umožnilo natáčení, aby v konstrukci byly zařazeny akční členy, které zajistí přesné nastavení, ale je také nutné použít řídicí systém, který akčním členům vydá potřebné instrukce. Ovládací systémy se mohou lišit podle konstrukčního uspořádání. V letech 1985 – 1987 přicházejí japonští konstruktéři (Honda Prelude a Mazda 626) s řešením cestou mechanického i elektrohydraulického ovládání zadních kol. Nejčastěji se aplikují tři systémy pro ovládání zadních kol: mechanický systém (kupř. Honda 4WS), elektrohydraulický systém (kupř. Mazda 626 – 4WS, Nissan, Mitsubishi Sigma), elektromechanický systém (kupř. Honda E-4WS, Delphi Quadrasteer).
Obr.2 Elektromechanický systém řízení zadních kol - Honda E-4WS
Mechanický systém využívá mechanických převodů (např. planetový převod), je konstrukčně jednodušší, ale jeho parametry jsou nastaveny již při konstrukci. Neumož-
2
ňuje tedy potřebnou variabilitu nastavení při provozu. Proto jsou z hlediska řízení výhodnější systémy elektrohydraulické a elektromechanické. Řídicí systém Řídicí systém musí zajistit, aby instrukce předávané akčním členům byly přesné a aby byly předávány rychle. Elektronické systémy mohou poměrné rychle vyhodnotit sledované parametry a přiřadit hodnotu výstupní veličině, která bude řídit silový člen (ať již elektrický či hydraulický). Schéma uspořádání nabízí obrázek 3. Řídicí jednotka rozhoduje na základě informace o pohybu volantu, ale výsledek je korigován s ohledem na okamžitou rychlost vozidla (případně zohlední i další veličiny – např. příčné zrychlení). Natočení zadních kol je kontrolováno snímačem polohy, který tvoří zpětnou vazbu obvodu řízení.
Vstupní data od snímače rychlosti vozidla (tachometr)
Snímání otáčení volantu
Senzor otáčení kol (senzor ABS) Vstupní veličiny Výpočet rychlosti vozidla
Výpočet rychlosti natočení volantu (kol) Výpočet úhlu natočení zadních kol
Výpočet řídící veličiny pro ovládač
Silový obvod Řídící jednotka
Snímač řízení zadních kol
Ovládač řízení zadních kol
Poruchové veličiny
Obr. 3 Princip činnosti řídicího sytému Řídicí jednotka zpracovává vstupní veličiny (úhel natočení volantu, rychlost vozidla, poloha akčního členu, poruchové veličiny) a vyhodnocuje provozní stav. Výstupní elektrický signál předává elektrohydraulickému ventilu, ten ovládá výkonový tok silového hydraulického obvodu s hydromotorem (viz schéma na obrázku 4). Hydromotor prostřednictvím mechanické vazby ovládá natočení zadních kol.
3
snímač úhlu řízení snímač rychlosti řídicí jednotka
elektrohydraulický ventil
snímač polohy Obr. 4 Elektrohydraulický systém řízení
Závěr Konstrukce podvozku s řízenými koly zadní nápravy je náročnější a také nákladnější oproti tradičnímu uspořádání. Z nedávné historie je patrné, že toto hledisko je významné. Když v průběhu osmdesátých let minulého století byla nabídnuta první technická řešení, ohlas byl poměrně chladný – zejména ve Spojených státech amerických. V současné době se však zdá, že výhody, které řiditelná zadní náprava přináší, jsou opět se zájmem posuzovány. Literatura 1. VLK, F.: Podvozky motorových vozidel, Nakladatelství a vydavatelství VLK, Brno, 2000 2. VLK, F.: Koncepce motorových vozidel, Nakladatelství a vydavatelství VLK, Brno, 2000 3. ZAPLETAL, F: Zvyšování aktivní bezpečnosti vozidel využitím systému 4WS a AFWS, Autoreferát disertační práce, Brno, 1997 4. HONDA: E-4WS Construction and Function (Based on the 1997 Prelude), servisní příručka, 1997 5. JOZÍF, M.: QUADRASTEER, Automobil 10/2000
4
Autoři: 1)
Pavel Brabec, Ing. (student – doktorand) TU v Liberci – katedra strojů průmyslové dopravy Hálkova ul. 6, 46117 Liberec Tel.: 420 48 5353513 Fax: 420 48 5353139
[email protected] 2)
Miroslav Malý, Ing. CSc. (učitel – doc.) TU v Liberci – katedra strojů průmyslové dopravy Hálkova ul. 6, 46117 Liberec Tel.: 420 48 5353144 Fax: 420 48 5353139
[email protected] 3)
Robert Voženílek, Ing. (student – doktorand) TU v Liberci – katedra strojů průmyslové dopravy Hálkova ul. 6, 46117 Liberec Tel.: 420 48 5353513 Fax: 420 48 5353139
[email protected] Tato práce byla realizována za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci podpory projektu LN 00B073 výzkumu a vývoje.
5
