Systémy řízení zadních kol automobilu

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

Systémy řízení zadních kol automobilu 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

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ


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)


Systémy řízení zadních kol automobilu MECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA PRELUDE (HONDA 4WS)


Systémy řízení zadních kol automobilu ELEKTRONICKY ŘÍZENÝ HYDRAULICKÝ SYSTÉM - MAZDA 626


Systémy řízení zadních kol automobilu 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

Systémy řízení zadních kol automobilu 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.) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ



Systémy řízení zadních kol automobilu 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


Systémy řízení zadních kol automobilu ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - GCC (Global Chassis Control) fa Continental


Systémy řízení zadních kol automobilu ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - GCC (Global Chassis Control) fa Continental


Systémy řízení zadních kol automobilu ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA E-4WS


Systémy řízení zadních kol automobilu ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA E-4WS


Systémy řízení zadních kol automobilu ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - Renault Laguna GT






Systémy řízení zadních kol automobilu ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM – NISSAN Infiniti G37 (Renault Laguna GT)

4 Wheel Active Steer (4WAS)






Systémy řízení zadních kol automobilu 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Poruchové veličiny

Systémy řízení zadních kol automobilu 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


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



Systémy řízení zadních kol automobilu Simulační model automobilu s řízením zadních kol 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ


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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

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.


Systémy řízení zadních kol automobilu 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.



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

Systémy řízení zadních kol automobilu 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

3 2 1

120

v [km/h]

80

40

5

0 0


 P [°]

0,5-1 0-0,5


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) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ




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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Systémy řízení zadních kol automobilu 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.


Systémy řízení zadních kol automobilu 4WS (Four Wheel Steering System) Zdroj: NISSAN Infiniti G37

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

Systémy řízení zadních kol automobilu 4WS (Four Wheel Steering System) 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

Recommend Documents