Интегрированные системы управления динамикой движения

Интегрированные системы управления динамикой движения

 

Наряду с тормозами и двигателем, используе­мыми системой динамической стабилизации (ESP), в шасси и приводе имеются другие ис­полнительные механизмы, целенаправленно влияющие на динамику движения. Функцио­нальное сочетание исполнительных органов, относящихся к динамике движения, имеют разные названия у разных автопроизводите­лей и поставщиков: управление динамикой автомобиля (Vehicle Dynamics Management, VDM), интегрированное управление шасси (Integrated Chassis Control, ICC), интегриро­ванное управление шасси (Integrated Chassis Management, ICM) и глобальное управление шасси (Global Chassis Control, GCC).

 

Содержание

  1. Основные области применения
  2. Рекомендуемое усилие на рулевом колесе в зависимости от динамики
  3. Активная стабилизация рулевого управления на передней оси
  4. Активная стабилизация рулевого управления на задней оси
  5. Распределение крутящего момента в продольном направлении у автомобилей с приводом на четыре колеса.
  6. Распределение крутящего момента колес в поперечном направлении
  7. Замена межколесного распределения момента вмешательством тормозной системы и системы управления двигателем.
  8. Влияние на подруливающие свойства через стабилизацию поперечной устойчивости
  9. Влияние на подруливающие свойства через регулирование амортизации
  10. Архитектура системы

 

 

Основные области применения

 

Эти системы применяются главным образом для управления курсовой устойчивостью, маневренностью и уменьшением нагрузки на водителя, т.е. усилий, прикладываемых во­дителем для управления автомобилем.

Улучшение курсовой устойчивости

 

В критических ситуациях эти системы ре­шают задачи по динамической стабилизации, обычно выполняемые самим водителем. Ти­пичными примерами являются избыточная поворачиваемость или торможение на доро­гах с разными коэффициентами сцепления с левой и с правой стороны (μ-разделение).

Повышение маневренности

 

Некоторые из этих функций улучшают реак­цию поперечной динамики автомобиля на вы­полняемое водителем рулевое управление. Они делают автомобиль более маневренным, т.е. он более непосредственно и динамично реагирует на действия водителя.

Уменьшение усилий управления автомобилем

 

Улучшенная реакция автомобиля на дви­жения рулевого колеса и автоматические стабилизирующие вмешательства снимают с водителя нагрузку, в частности, уменьшая усилия на рулевом колесе.

Рекомендуемое усилие на рулевом колесе в зависимости от динамики

 

Эта функция использует в качестве испол­нительного механизма электроусилитель рулевого управления. На крутящий момент сервоусилителя рулевого управления накла­дывается дополнительный крутящий момент, зависящий от динамики движения.

 

 

Ограничение дополнительного крутящего момента рулевого управления

 

Дополнительный крутящий момент рулевого управления ограничивается, в зависимости от автомобиля, значениями около 3 Н-м, чтобы водитель мог в любой момент скорректировать рекомендуемое усилие на рулевом колесе. Из-за сравнительно малого дополнительного крутящего момента рулевого управления эта функция не воздействует непосредственно на движение автомобиля, а лишь косвенно — путем влияния на реакцию водителя.

Ситуации динамики движения

 

Рекомендуемое рулевое усилие с дополнительным рулевым моментомФункция рекомендуемого усилия на рулевом колесе активируется в различных ситуациях. В ситуации с избыточной поворачиваемостью создается крутящий момент в направлении, противоположном уводу (рис. а, «Рекомендуемое рулевое усилие с дополнительным рулевым моментом»  ). В случае недостаточной поворачиваемости эта функция мотивирует водителя не увеличивать угол по­ворота рулевого колеса, так как потенциал бо­ковой силы на передних колесах уже исчерпан, и дальнейшее руление может даже уменьшить поперечную силу.

При торможении или разгоне на дорогах с разными коэффициентами сцепления с левой и правой стороны автомобиля (μ-разделение) происходит компенсирование вращения вокруг вертикальной оси путем выруливания (рис. Ь, «Рекомендуемое рулевое усилие с дополнительным рулевым моментом»  ).

 

Активная стабилизация рулевого управления на передней оси

 

Эта функция непосредственно вмешивается в движение автомобиля с помощью рулевого актюатора, обеспечивающего дополнитель­ный угол поворота. В специальном редукторе устанавливаемый электродвигателем допол­нительный угол поворота добавляется к углу, задаваемому водителем.

Эта функция работает, к примеру, в ситуации с избыточной поворачиваемостью. Система регулирования вращения вокруг вертикаль­ной оси с автоматической коррекцией угла поворота возвращает избыточно высокий момент вращения вокруг вертикальной оси на заданный уровень.

При торможении на дорогах с разными ко­эффициентами сцепления эта функция ком­пенсирует рыскание. Нагрузка на водителя значительно уменьшается при стабилизации автомобиля. Поскольку компенсация рыскания инициируется автоматически и происходит го­раздо быстрее, чем руление среднестатистиче­ского водителя, то можно урезать меры по за­держке увеличения момента вращения вокруг вертикальной оси, реализуемые системой ESP. Также сокращается тормозной путь.

Еще одно преимущество можно получить при недостаточной поворачиваемости и трогании с места на дорогах с разными коэффи­циентами сцепления.

Требования к системе датчиков

Из-за большой скорости позиционирования системы рулевого управления приоритетного Действия, сигналы датчиков должны контро­лироваться с малой задержкой сигнализации неисправностей. Это означает, что инерцион­ная система датчиков должна иметь резерви­рованную конструкцию.

 

 

Активная стабилизация рулевого управления на задней оси

 

В автомобилях с управляемой задней осью пер­вичная функция регулирует угол поворота зад­ней оси в зависимости от угла поворота рулевого колеса и скорости движения. На небольшой ско­рости задние колеса поворачиваются в противоход передним, что повышает маневренность.

На высокой скорости задние колеса поворачиваются в одном направлении с передними. Таким образом, при объезде препятствий рыскание происходит менее интенсивно. Это значительно повышает кур­совую устойчивость.

Ситуации со сложной динамикой движения

 

Соответствующие функции действуют в ситуа­циях, схожих с активными вмешательствами в рулевое управление передней оси. Эффектив­ность вмешательств в рулевое управление ключевым образом зависит от текущего исполь­зования потенциала поперечных сил на задних колесах.

При торможении на дорогах с разными коэффициентами сцепления для подавле­ния рыскания необходимы вмешательства с большими углами вследствие уменьшения нагрузки на заднюю ось. С другой стороны, торможение может иметь место без значи­тельного изменения угла.

Требования к системе датчиков

 

Функции для рулевого управления задней оси тоже требуют инерционной системы дат­чиков с резервированием, так как скорость позиционирования рулевого исполнитель­ного механизма на задней оси сравнима с приоритетным рулевым управлением.

 

 

Распределение крутящего момента в продольном направлении у автомобилей с приводом на четыре колеса

 

В автомобилях с приводом на четыре колеса блокировка межосевого дифференциала или перенос крутящего момента между осями в рамках их базовой функции улучшают тяго­вое усилие и, соответственно, разгонные ха­рактеристики автомобиля, при этом тяговое усилие передается колесами на обеих осях.

Ситуации со сложной динамикой движения

 

В ситуациях, при которых коэффициент сцепления с дорогой используется не полно­стью, можно изменять подруливающие свой­ства, смещая тяговые усилия между передней и задней осями. Чем больше тяговое усилие передается на ось, тем сильнее ослабляется потенциал поперечной силы на колесах этой оси. Смещение тягового усилия на переднюю ось повышает тенденцию к недостаточной поворачиваемости, а на заднюю ось — по­нижает ее (см. «Распределение крутящего момента»). Через динамическое управление распределением крутящего момента можно повысить поперечную динамику, при этом у автомобиля не появится тенденция к избы­точной поворачиваемости.

Распределение крутящего момента колес в поперечном направлении

 

Функции на основе векторизации крутящего момента значительно способствуют повыше­нию маневренности. Исполнительный механизм позволяет произвольно смещать крутящий мо­мент на оси с одного колеса на другое. Таким образом, общая вращающая сила, за исключе­нием потерь на трение, не уменьшается — это означает, что это вмешательство практически нейтрально по отношению к скорости движения.

Ситуации со сложной динамикой движения

"Распределение крутящего момента колес в поперечном направлении"При недостаточной поворачиваемости крутя­щий момент на колесе, движущемся по внеш­нему радиусу, увеличивается, а на колесе, движущемся по внутреннему радиусу — умень­шается. Таким образом, на автомобиль воз­действует дополнительный момент вращения вокруг вертикальной оси (рис. а, «Распределение крутящего момента колес в поперечном направлении»  ). Тенденция к недостаточной поворачиваемости снижа­ется; поперечная маневренность повышается.

При ускорении на дорогах с разными ко­эффициентами сцепления приводной момент направляется на колесо с большим коэффи­циентом сцепления. Одновременно система управления тяговым усилием притормаживает колесо с низким коэффициентом сцепления. Это повышает среднее ускорение на дорогах с разными коэффициентами сцепления.

Даже в ситуации с избыточной поворачиваемостью притормаживание частично за­меняется межколесным перераспределением крутящего момента (рис. Ь, «Распределение крутящего момента колес в поперечном направлении»  ). Таким образом, потерю скорости можно уменьшить путем притормаживающего вмешательства ESP. В критических ситуациях с избыточной поворачиваемостью все равно происходит притор­маживание, так как в этом случае потеря ско­рости желательна — для смягчения ситуации.

 

 

Замена межколесного распределения момента вмешательством тормозной системы и системы управления двигателем

 

Вмешательства при недостаточной повора­чиваемости на основе векторизации момента можно заменять торможением колес, движу­щихся по внутреннему радиусу поворота. При этом увеличивается крутящий момент двига­теля, компенсируя одностороннее торможе­ние. В результате возникает эффект, похожий на вмешательство при недостаточной повора­чиваемости путем векторизации момента. Для этого нужен лишь гидравлический модулятор с длительным сроком службы и невысоким уровнем шума вместо дополнительного ор­гана, перераспределяющего момент.

 

 

Влияние на подруливающие свойства через стабилизацию поперечной устойчивости

 

Поперечная сила в зависимости от продольной силы с постоянным углом бокового уводаВ соответствии со своей ориентированной на комфорт базовой функцией, системы стаби­лизации поперечной устойчивости служат для компенсирования крена в поворотах.

Когда система стабилизации поперечной устойчивости имеет двухканальную конструк­цию с раздельной активацией исполнительных органов на передней и задней осях, суще­ствует дополнительная возможность влия­ния на подруливающие свойства. Крутящий момент, компенсирующий крены — в рамках работы отдельных каналов — можно активно перераспределять между передней и задней осями. В результате изменяются силы, воз­действующие на колеса.

Влияние на подруливающие свойства осно­вано на пропорционально снижаемом увели­чении поперечных сил под действием продоль­ных сил (рис. «Поперечная сила в зависимости от продольной силы с постоянным углом бокового увода» ). Когда момент поперечной устойчивости в значительной степени поддер­живается на задней оси, сильно увеличивается продольная сила на заднем колесе, движу­щемся по внешнему радиусу поворота; но со­ответствующая боковая сила в пропорциональ­ном отношении увеличивается лишь частично. Поперечная сила на задней оси ослабевает, и тенденция к недостаточной поворачиваемости снижается. И наоборот, тенденция к недоста­точной поворачиваемости повышается, когда момент поперечной устойчивости в значитель­ной степени поддерживается на передней оси.

Влияние на подруливающие свойства через регулирование амортизации

 

Использование амортизаторов с регулируе­мой жесткостью для адаптивного смягчения вертикального перемещения кузова сейчас очень распространено. Продольное и попереч­ное раскачивание, вызываемые действиями водителя — торможением и рулевым управле­нием или дефектами дорожного покрытия, а также вертикальные перемещения, вызывае­мые дефектами дорожного покрытия, можно ощутимо уменьшить.

В ограниченной степени можно также влиять на подруливающие свойства. Механизм дей­ствия соответствует влиянию на подруливаю­щие свойства через стабилизацию попереч­ной устойчивости. Однако эта функция имеет лишь кратковременный эффект во время поперечной раскачки кузова, поскольку не­обходимым условием для амортизирующих сил является перемещение амортизатора. Амортизирующие силы можно модулировать путем изменения жесткости амортизаторов так, чтобы силы, воздействующие на колеса, можно было полуактивно распределять, как было описано выше.

 

 

Архитектура системы

 

Распределение функций между ЭБУ

 

Исполнительные органы в шасси и приводе обычно активируются не только функциями интегрированных систем управления динами­кой, но и в первую очередь базовыми функци­ями, очень тесно связанными с исполнитель­ным механизмом. Примерами таких базовых функций могут служить «помощники» в систе­мах с электроусилителем рулевого управле­ния или переменное передаточное отношение в системе приоритетного руления.

Основные функции характеризуются умеренным объединением в сеть с другими автомобильными системами. Из-за своей тесной связи с исполнительным механизмом они обычно встраиваются в соответствующий ЭБУ, который также активирует исполнитель­ный орган и контролирует его.

С другой стороны, функции интегрирован­ных систем управления динамикой очень тесно связаны между собой, в частности, с ESP и другими системами управления шасси. Они вы­числяют номинальное значение динамики для исполнительного механизма, передаваемое по шине данных на ЭБУ. Организация доступа к общей шине номинальных значений базовых функций выполняется в ЭБУ.

ЭБУ для управления динамикой, или цен­тральный ЭБУ функциональной обла­сти «шасси» подходит для использова­ния в качестве платформы для функций интегрированных систем управления динами­кой (рис. «Схема системы для реализации функций интегрированного управления динамикой движения (VDM)» ).

 

Схема системы для реализации функций интегрированного управления динамикой движения (VDM)

 

Взаимодействие различных функций

 

В автомобилях устанавливают все больше различных функций и исполнительных меха­низмов. Это требует функциональной струк­туры, гарантирующей хорошее взаимодей­ствие отдельных функций и, прежде всего, предотвращающей взаимные помехи.

Прежняя тенденция, когда у каждого ис­полнительного механизма был свой кон­троллер, исчерпала себя. Однако полное объединение всех алгоритмов в централь­ном контроллере ограничивает гибкость распределенной разработки и использова­ния ресурсов ЭБУ.

Более обещающим компромиссом яв­ляется объединение всех контроллеров, использующих принцип связанного пози­ционирования, поскольку вмешательства по принципу связанного позиционирования требуют особенно интенсивной координации.

Принципы позиционирования и системы позиционирования:

  • Крутящий момент на колесе: система управления динамикой, управляемая бло­кировка дифференциала, векторизация момента;
  • Угол поворота: приоритетное рулевое управление (передняя ось) и рулевое управление на задней оси;
  • Продольная сила: стабилизация попереч­ной устойчивости, регулировка жесткости амортизаторов.

 

Рекомендуемое усилие на руле играет осо­бую роль, так как не воздействует непо­средственно на движение автомобиля. Оно должно соотноситься с функциями приори­тетного рулевого управления в плане воздей­ствия, оказываемого на водителя.

В следующей статье я расскажу о двигателе с возвратно-поступательным движением поршней.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *