Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Zpracoval: Pavel BRABEC, Robert VOŽENÍLEK 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

1

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - obecně 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.), • systémy ovlivňující jízdní stabilitu (ESP), • moderní budoucí systémy.

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - ABS ABS – protiblokovací brzdový systém První protiblokovací brzdový systém ABS firmy Bosch byl použit v roce 1978. Dnes už je mnohem vyspělejší, regulující optimální brzdnou účinnost. Skládá se z těchto částí: • z elektronické řídící jednotky (ECU), • ze snímačů otáčení každého kola, • ze samotné hydraulické soustavy.


2

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - ABS


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - ABS ABS – protiblokovací brzdový systém


3

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel – EBV / EBD EBV / EBD Zkratkou EBV, popř. EBD se označuje elektronický rozdělovač brzdné síly, který je dnes samozřejmou součástí ABS. Samočinně rozděluje intenzitu brzdného účinku mezi nápravami podle jejich okamžitého zatížení a optimálně snižuje brzdící tlak v zadní nápravě, která je při brzdění přirozeně odlehčována. Obě nápravy tak vždy nejlépe využívají svých brzdicích možností.


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - EDS EDS Toto zařízení, označované jako elektronický závěr diferenciálu (z něm. Elektronische Differentialsperre), samočinně přibrzďuje protáčející se hnací kolo např. na náledí, na mokré krajnici silnice nebo v terénu a při rozdílných adhezních podmínkách levého a pravého kola tak ruší nežádoucí vliv diferenciálu.


4

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - MSR MSR Při razantnějším brzdění motorem - zejména vznětovým - může na kluzkém povrchu dojít k nepříjemné ztrátě řiditelnosti předních hnacích kol, která se dostávají do smyku. Tomuto jevu zabraňuje elektronická regulace brzdného momentu MSR.


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - ASR ASR Protiprokluzová soustava ASR (též TC nebo TCS) se v automobilech objevuje od roku 1986. Při rozjezdu nebo akceleraci zamezuje prokluzu jednoho či obou hnacích kol, resp. všech kol u verzí 4x4 a zajišťuje optimální přenos hnací síly ve styku kol s vozovkou. Funkce ASR je podobná činnosti systému EDS, ale ASR dokáže regulovat prokluz obou hnacích kol, přičemž využívá nejen pasivního brzdění kol, ale zasahuje i do řízení motoru - sníží podle potřeby jeho otáčky.


5

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - ASR


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - ESP ESP • Převrat v oblasti systémů ovlivňujících jízdní stabilitu vozidla přináší elektronický stabilizační program ESP (z angl. Electronic Stability Programme). • V oblasti aktivní bezpečnosti vozidel je to podobný mezník jako před lety nástup ABS. • ESP představené v roce 1995 bylo zpočátku určeno jen pro luxusní vozy. Když ale koncem roku 1997 vyšla najevo slabina v jízdní stabilitě jednoho z nových malých vozů, jeho problém vyřešilo především standardní zavedení ESP. • Velkosériová výroba významně snížila výrobní náklady a ESP se začíná objevovat i ve vozech střední a kompaktní třídy.


6

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel – ESP


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - ESP


7

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - ESP ESP se skládá z těchto hlavních komponentů: •

z elektronické řídící jednotky ECU (společná i pro ABS, EBV, MSR, EDS či ASR, ale pro ESP má rozšířené funkce; všechny potřebné údaje zpracovává každých 7 ms),

• ze sedmi druhů snímačů; jsou to  snímač pro rozpoznání brzdění, který sleduje brzdění řidiče,  snímače otáčení jednotlivých kol, informující nepřetržitě řídící jednotku o jejich rychlosti,  snímač úhlu natočení volantu, vyhodnocující požadovaný směr jízdy,  snímač příčného zrychlení, informující o velikosti příčných (odstředivých) sil v zatáčkách,  snímač natáčení vozidla kolem svislé osy, určující začátek smyku,  snímač brzdného tlaku, hlásící aktuální tlak v brzdové soustavě, z něhož řídící jednotka vyhodnocuje podélné zpomalení vozidla,  snímač podélného zrychlení,


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - ESP ESP se skládá z těchto hlavních komponentů: • propojení prostřednictvím sběrnice CAN-Bus s ECU motoru, popřípadě i ECU samočinné převodovky, aby ESP mohlo v případě potřeby zasahovat do režimu jejich řízení, • tlačítko pro vypnutí funkce ESP, vhodné např. pro jízdu se sněhovými řetězy nebo při různých zkouškách vozidla. Řídící jednotka ESP ovládá při regulačním zásahu tyto systémy: • čerpadlo pro vytvoření potřebného tlaku v brzdové soustavě, který je nutno vytvořit, pokud řidič nebrzdí (nový dvojčinný posilovač brzd s elektromagnetem dokáže během 200 ms vytvořit v brzdové soustavě tlak 13 až 18 MPa a směřovat jej na jediné kolo), • hydraulickou jednotku pro rozdělování tlaku v brzdové soustavě k brzdám na jednotlivých kolech, která je třeba přibrzďovat (jde o rozšířeny agregát ABS/ASR). INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

8





9



Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Moderní systémy By - Wire 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, - Turbo By Wire - Clutch By Wire -… INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

10

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Brake By Wire


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel 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


11

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel 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.


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Steer By Wire

Zdroj: GM Hy-wire

Zdroj: Citroën C-Crosser


12

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Steer By Wire Bertone- SKF Filo - drive by wire Guida - driver's control (elektromechanická pohonná jednotka) se skládá z: - brake-by-wire calliper - steering actuator - clutch actuator.


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Steer By Wire Steer by wire – firma ZF


13





14

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Steer By Wire 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: • dynamické aktivní řízení • systém 4WS (Four-Wheel-Steering).


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Dynamické aktivní řízení Dynamické aktivní řízení • tento systém sériově používá např. BMW, Audi, Honda… • 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 • 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.


15

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Dynamické aktivní řízení konstrukční uspořádání převodovky aktivního řízení

BMW

Audi


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Dynamické aktivní řízení průběh převodového poměru v závislosti na rychlosti a nastavení

BMW

Audi


16

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Dynamické aktivní řízení

obr. vyhýbací manévr s ESP a aktivním řízením

obr.: brzdění na z části zledovatělé vozovce, ESP + aktivní řízení


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel 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

17


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


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel 4WS (Four Wheel Steering System) Zdroj: NISSAN Infiniti G37

Zdroj: DELPHI QUADRASTEER (fa GM) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

18


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)


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel MECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA PRELUDE (HONDA 4WS)


19

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel ELEKTRONICKY ŘÍZENÝ HYDRAULICKÝ SYSTÉM - MAZDA 626


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - DELPHI QUADRASTEER (fa GM)


20


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.) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ



21

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel 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


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - GCC (Global Chassis Control) fa Continental


22

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - GCC (Global Chassis Control) fa Continental


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA E-4WS


23

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA E-4WS


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - Renault Laguna GT


24





25

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM – NISSAN Infiniti G37 (Renault Laguna GT)

4 Wheel Active Steer (4WAS)


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel 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

Vstupní veličiny Vstupní velič

Výpoč Výpočet rychlosti vozidla

Výpoč Výpočet rychlosti natoč natočení ení volantu (kol)

feedback

Výpoč natočení zadních kol Výpočet úhlu natoč ení zadní Výpoč veličiny pro Výpočet řídící velič ovlá dač ovládač

Silový obvod Řídící jednotka

Sní mač řízení zení Snímač zadní zadních kol

Ovlá dač řízení zení Ovládač zadní zadních kol

Poruchové Poruchové velič veličiny


26

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel 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. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel ŘÍZENÍ ZADNÍCH KOL S KOMPENZACÍ ÚHLU SMĚROVÉ ÚCHYLKY 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

5

0,5-1 0-0,5

3 2

 P [°]

1 120

v [km/h]

80

40

0 0


27

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel ŘÍZENÍ ZADNÍCH KOL S KOMPENZACÍ ÚHLU SMĚROVÉ ÚCHYLKY TĚŽIŠTĚ


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel ŘÍZENÍ ZADNÍCH KOL S KOMPENZACÍ ÚHLU SMĚROVÉ ÚCHYLKY 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


28

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Simulační model automobilu s řízením zadních kol

3

2 .5

2

y [m]

1 .5

1

0 .5

0

-0 . 5

4W S 2W S 0

1

2

3 t [s e c ]

4

5

6

Obr.: Simulace vyhýbajícího manévru u vozidla 2WS a 4WS s řízením zadních kol s kompenzací úhlu směrové úchylky těžiště INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Steer By Wire – TUL KVM 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


29

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Steer By Wire – TUL KVM

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.


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Steer By Wire – TUL KVM

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.


30

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Steer By Wire – TUL KVM Steer By Wire Nejprve bylo nutné navrhnout potřebný výkon systému, tzn. identifikovat možné silové zatížení mechanismu řízení. 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


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Steer By Wire – TUL KVM a) síly vznikající při parkování – převažuje odporová síla vznikající při smýkání pneumatiky po vozovce


31

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Steer By Wire – TUL KVM b) síly vzniklé při jízdě – převažují dynamické síly dané rychlou změnou a boční síly vzniklé při průjezdu zatáčkou - tzv. „losí“ test


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Steer By Wire – TUL KVM b) síly vzniklé při jízdě – převažují dynamické síly dané rychlou změnou a boční síly vzniklé při průjezdu zatáčkou - tzv. „losí“ test


32

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel 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 pomocí elektromotorů posilovač řízení zení, čerpadlo chladí 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.


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Na závěr – vícenapěťový systém vozidla


33

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Na závěr – vícenapěťový systém vozidla ISAD – Integrated Starter Alternator Damper


Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel Na závěr – vícenapěťový systém vozidla 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

34

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel

Děkuji za pozornost.


35

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel

Recommend Documents