Система управления курсовой устойчивочтью авто

Суммарный момент Мe вращения кузова вокруг вертикальной оси равен сумме моментов от каждого колеса в отдельности: Мe=М1+М2+М3+М4.

Рис. 2.2. Силы, действующие на колеса автомобиля во время поворота 
V — вектор скорости движения автомобиля; S — продольная ось автомобиля; γ — угол поворота колеса относительно оси S; α — угол бокового увода колеса от фактического направления движения (от вектора V); β=(γ-α) — угол бокового увода автомобиля («угол рыскания»); Fs — боковая сила действующая на ось колеса; 
Fb — тормозная сила колеса при его скольжении по дороге; Fr — результирующая сила бокового увода колеса, равная векторной сумме тормозной (Fb) и боковой (Fs) сил. 
(Fr=Fs+Fb); λ — угол между осью колеса и направлением его скольжения

Управляя тяговыми силами Fd ведущих колес (Fd3 + Fd4) и тормозными силами Fb всех четырех колес (Fb1, Fb2, Fb3, Fb4), возможно добиться такого состояния движения автомобиля на поворотах или на скользкой дороге, при котором Мe<<Мk. Мk — критическое значение суммарного момента Мe, при котором углы бокового увода центров переднего и заднего мостов появляются не под воздействием бокового юза, а в результате эластичного прогиба шин всех четырех колес. В таком случае колеса не срываются в юз и автомобиль остается управляемым. (Согласно ОСТ 37.001.05186, управляемость автомобиля — это его способность точно следовать повороту передних колес [3].) Функции автоматического управления подтормаживанием и тяговой силой колес при повороте автомобиля на большой скорости или при движении по скользкой дороге выполняет система управления курсовой устойчивостью (система VDC).

 

3. Функциональная блок-схема  системы VDC

 

Функциональная блок-схема системы VDC, отвечающая решению фундаментальной задачи управления курсовой устойчивостью автомобиля, показана на рис. 3.1. Такая схема описывает функциональную взаимосвязь параметров системы VDC и порядок их обработки.

Рис. 3.1. Функциональная блок-схема системы VDC

Во-первых, по входным параметрам (воздействиям водителя на органы управления), которые с помощью датчика угла поворота рулевого колеса, датчика дроссельной заслонки и датчика давления в тормозной системе преобразуются в электрические сигналы, определяется номинальное (штатное) поведение автомобиля, описанное номинальными значениями регулируемых переменных. Это наиболее важная и наиболее сложная задача для контроллера системы VDC, так как поведение автомобиля зависит не только от воздействий водителя, но и от неизвестных воздействий окружающей среды.

Во-вторых, по полученным значениям от датчиков скорости колес, датчика рыскания и датчика боковых ускорений определяется фактическое поведение автомобиля, соответствующее фактическим значениям регулируемых переменных. Далее вычисляется и используется разность между номинальными и фактическими значениями переменных величин как набор управляющих сигналов в контроллере системы VDC.

Для реализации задачи управления боковым уводом каждого колеса в отдельности, т. е. при выполнении основной функции системы VDC, необходимо, чтобы тормозное давление на каждом колесе могло модулироваться независимо от водителя и как этого требует заложенная в память ЭБУ—VDC программа управления. Отсюда очевидно важное различие между системами ABC и VDC. Для системы ABC колесо является объектом управления скоростью его вращения, чтобы предотвратить блокировку и сохранить скольжение колеса малым (в пределах допустимой нормы). При этом предотвращается возможность появления и некоторого воздействия поперечной силы. Для системы VDC автомобиль является объектом управления с целью стабилизации движения в критических ситуациях, когда пробуксовкой колес можно и нужно управлять, чтобы получить требуемые поперечные и продольные силы воздействия на движущийся автомобиль.

В критической ситуации, когда автомобиль начинает срываться в движение боковым юзом, ширина полосы скольжения между передними и задними колесами больше ширины автомобиля. Это позволяет выбрать каскадную структуру системы управления, в которой внутренний контур управления с обратной связью управляет пробуксовкой колес, а внешний — движением автомобиля. Такая структура системы управления показана на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Каскадная структура системы VDC с двумя контурами обратной связи

Во внешнем контуре управления с обратной связью происходит коррекция номинальных значений скольжения колес под требуемое для нештатных условий движения. При этом контроллер скольжения получает сигналы управления от контроллера динамики автомобиля в виде разностных величин между номинальными и фактическими параметрами движения, а также от датчиков автомобиля. Во внутреннем контуре формируются сигналы управления для исполнительных механизмов, с помощью которых корректируется боковой увод колес до номинальных значений скольжения. Наблюдатель используется для того, чтобы оценить фактическое значение угла бокового увода автомобиля и других неизмеряемых величин, например, сил воздействия на колеса, направленных по нормали.

Система управления двигателем реализована как внутренний контур управления с обратной связью. Номинальные значения сигналов, передающиеся к системе управления двигателем по шине CAN-интерфейса, определяют пределы регулирования крутящего момента.

 

4. Техническая  реализация системы VDC

 

4.1. Основные компоненты

На рис. 4.1 показаны основные компоненты системы VDC.

Датчик скорости рыскания, акселерометр бокового ускорения, датчик угла поворота рулевого колеса и электронный блок управления устанавливаются в салоне или багажнике автомобиля. При разработке системы VDC были использованы составные компоненты ранее освоенных систем ABC и ASR, такие как гидроустройства, нагнетательные насосы, датчики скорости колес, акселерометр боковых ускорений, блок автоматического управления дроссельной заслонкой, электронный блок управления.

Рис. 4.1. Основные компоненты системы VDC

1 — электронный  блок управления; 2 — гидравлический  блок; 3 — гидронагнетательный насос  с электроприводом; 4 — дифференциальный  гидроусилитель с датчиком давления; 5 — колесные датчики; 6 — гироскопический  датчик скорости рыскания; 7 —  акселерометр бокового ускорения; 8 — датчик угла поворота руля

На рис. 4.2. показано расположение компонентов системы VDC на автомобиле Mercedes.

Рис. 4.2. Расположение компонентов системы VDC на автомобиле

 

4.2. Датчики системы VDC

К датчикам скорости колес никаких специальных требований не предъявлялось. В системе VDC они такие же, как и в системе ABS, — индуктивного типа.

Вновь были разработаны датчик скорости рыскания (yaw-sensor) и датчик поворота руля. Датчик скорости рыскания относится к классу вибрирующих гироскопов. Основной элемент гироскопа — металлический цилиндр, чья оправа колеблется в эллиптических формах. Сигнал гироскопа возникает под воздействием ускорения Кориолиса, которое является следствием вращения цилиндра относительно своей оси и его вибраций, пропорциональных вращательной скорости автомобиля вокруг вертикальной оси и относительно оси цилиндра. Для надежной работы системы VDC очень важно, чтобы слабый выходной сигнал датчика рыскания был достаточно устойчивым, поэтому на выходе датчика устанавливается интегрирующее устройство, исключающее случайные возмущения выходного сигнала.

В датчике угла поворота рулевого колеса используется оптико-электронный преобразователь, выполненный с применением светодиодов и фототранзисторов. Оптоэлектронные пары соединены с ЭБУ цифровым интерфейсом. Датчик установлен на рулевом колесе и измеряет абсолютный угол его поворота. Для получения высокой точности применяется ступенчатое кодирование с помощью калиброванного набора фототранзисторов, установленных за светомодулирующим диском. Данная конструкция приводит к исключительно высокой надежности и точности датчика, на который можно полагаться как на эталонный при калибровке других датчиков системы VDC.

Демпфирование амортизаторов в системе управления активной подвеской используется в акселерометре датчика боковых ускорений. Такой датчик вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный смещению центра масс, а смещение центра масс пропорционально боковому уводу (сносу) автомобиля. Ошибки при установке датчика и кренность автомобиля приводят к погрешности в показаниях датчика, что компенсируется программой управления, которая заложена в ПЗУ системы VDC [2].

Датчик давления установлен в тормозном контуре передних колес и предназначен для измерения давления в тормозной системе, которое нагнетается водителем посредством педали тормоза. Основной элемент датчика — микроэлектронный чип, выполненный с применением кремниевой диафрагмы. Выходной сигнал чипа заземлен на корпус датчика. Так как в гидросистеме давление может достигать высоких значений (до 350 бар), то датчик должен иметь высокую конструктивную прочность и надежное крепление.

 

4.3. Гидросистема

Одна из наиболее важных эксплуатационных особенностей автомобильных гидросистем — это надежность их функционирования при низких температурах. Поскольку при температуре ниже -20°С текучесть тормозной жидкости заметно уменьшается, то это приводит к замедлению скорости жидкостных потоков в тормозной системе, что недопустимо при применении системы VDC. Связано это с тем, что генерирование тормозного момента в холодной гидросистеме значительно замедляется. Приходится применять гидронагнетатель высокого давления с приводом от электродвигателя в каждом тормозном контуре.

На рис. 4.3 показана гидравлическая часть системы VDC, которая устойчиво работает при низких температурах. Компоненты системы, которые функционально связаны между собой, на рис. 4.3 сгруппированы рамками в отдельные блоки.

Блок «А» содержит гидроустройство системы ABS/ASR с двумя гидронасосами рециркуляции (RCP— Recirculalion Pumps), замкнутый тормозной контур для передних колес (FA — Front Axle) и такой же контур для задних колес (RA — Rear Axle). Блок «В» содержит дифференциальный гидроусилитель давления (PGA — Pressure Generator Assembly), который включает в себя датчик D давления, который измеряет давление Pcirc тормозной жидкости в тормозном контуре FA (передние колеса). В блок «С» входят главный нагнетательный насос (РСР — Precharge Pump) и элементы его управления. В верхней части (Е) рисунка показан главный тормозной цилиндр с усилителем и бачком для тормозной жидкости.

Как только сигнал активного торможения с электронного блока системы ABS передается на контроллер скольжения системы VDC, главный нагнетательный насос РСР высокого давления начинает работать и подает тормозную жидкость из тормозною бачка гидросистемы в центральную камеру дифференциального гидроусилителя PGA.

При этом два плунжера в PGA начинают раздвигаться и нагнетают тормозную жидкость в насосы рециркуляции RCP под заданным давлением, которое формируется пружинными (1 и 4) и электрическими (2) клапанами и поддерживается ресиверами (3). Это приводит к тому, что поток жидкости, идущий от RCP, подается в рабочие контуры FA и RA под давлением, которое является нормальным для устойчивого функционирования системы VDC при низких температурах. Из соображений функциональной надежности и эксплуатационной безопасности системы VDC главный нагнетательный насос RCP снабжает тормозной жидкостью насосы рециркуляции RCP через буферные камеры дифференциального гидроусилителя PGA.

Электрические гидроклапаны 2 и 5 могут отрабатывать две программы автоматического управления давлением в колесных тормозных цилиндрах (КТЦ) — программу ABS (торможения без блокировки колес) и программу VDC (курсовой устойчивости движения автомобиля избирательным подтормаживанием колес с одновременным регулированием крутящего момента двигателя). Эти программы хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) электронного блока управления [3].

 

Рис. 4.3. Гидравлическая часть системы VDC

 

4.4. Электронный  блок управления

Электронный блок управления (ЭБУ) содержит стандартную четырехслойную печатную плату с двумя частично резервными микроконтроллерами 83C196KL. Каждый контроллер снабжен блоком постоянной памяти объемом в 48 килобайт. На плате также установлены все запускающие и коммутирующие устройства для включения каналов управления и контрольных ламп, полупроводниковые реле для подачи питания на мощные электропотребители (гидроклапаны и нагнетательные насосы), цепи CAN интерфейса. В связи с увеличением количества управляющих сигналов CAN интерфейс интегрирован в микрочипы контроллеров и обеспечивает управляемый (по заданной программе) обмен информацией между ЭБУ двигателя, ЭБУ ABS, ЭБУ активной подвески и функциональными блоками системы VDC. Связь осуществляется с помощью модифицированной интерфейсной шины.

5. Результаты экспериментальных  исследований

 

5.1. Испытания автомобиля  с системой VDC при резком изменении направления движения

Для оценки эффективности системы VDC проводились модельные и натурные испытания автомобиля во время маневра изменения траектории движения. Сравнивались два однотипных автомобиля, один из которых оборудован системой VDC. Маневр осуществлялся путем резкого поворота рулевого колеса в положительную и отрицательную стороны с шагом 90°. Были приняты следующие начальные условия эксперимента: скорость автомобиля 40 м/с, положение педалей управления тормозом и акселератором во время маневра не изменялось; поверхность дороги однородна (сухой асфальт), коэффициент трения между колесами и дорогой высокий (µ=1,0).

На рис. 5.1, а показаны сравнительные значения наиболее важных переменных величин, анализ которых осуществлялся в процессе моделирования: угол поворота руля (град.), скорость рыскания (град/с), боковое ускорение (м/с2), угол бокового ухода автомобиля (град.). На рис. 5.1, б показана моделируемая траектория движения автомобилей. На рис. 5.1, в выделена характерная часть траектории движения автомобилей и результирующая сила на каждом колесе в контрольных точках этой траектории.