Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel

Transkript

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
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
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
ABS – protiblokovací brzdový systém
3
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.
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
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.
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
Systémy aktivní bezpečnosti vozidel - ASR
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
Systémy aktivní bezpečnosti vozidel – ESP
7
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,
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).
8
9
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
-…
10
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
11
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.
Steer By Wire
Zdroj: GM Hy-wire
Zdroj: Citroën C-Crosser
12
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.
Steer By Wire
Steer by wire – firma ZF
13
Steer By Wire
Steer By Wire
14
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).
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
konstrukční uspořádání převodovky aktivního řízení
BMW
Audi
průběh převodového poměru v závislosti na rychlosti a nastavení
BMW
Audi
16
obr. vyhýbací manévr s ESP a aktivním
řízením
obr.: brzdění na z části zledovatělé vozovce,
ESP + aktivní řízení
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.
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
4WS (Four Wheel Steering System)
Zdroj: NISSAN Infiniti G37
Zdroj: DELPHI QUADRASTEER (fa GM)
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)
MECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA PRELUDE (HONDA 4WS)
19
ELEKTRONICKY ŘÍZENÝ HYDRAULICKÝ SYSTÉM - MAZDA 626
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.)
21
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
22
fa Continental
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA E-4WS
23
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - HONDA E-4WS
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM - Renault Laguna GT
24
25
ELEKTROMECHANICKÝ SYSTÉM – NISSAN Infiniti G37 (Renault Laguna GT)
4 Wheel Active Steer (4WAS)
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
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.
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
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
28
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
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
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.
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
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
a) síly vznikající při parkování – převažuje odporová síla vznikající při smýkání
pneumatiky po vozovce
31
- tzv. „losí“ test
- tzv. „losí“ test
32
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.
33
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
34
Děkuji za pozornost.
35

Aktivní bezpečnost inteligentních vozidel

Transkript

Podobné dokumenty

AutoTURN - srovnávací tabulka

C151565 Výsledek - Operační program Vzdělávání pro

Rok smíření

GEARLUBE VS 500

ZDE

Článek o Galimpexu

KVERULANT.ORG proti zneužívání označení invalida

Autoexpert 6/2013