Система динамической стабилизации

Система динамической стабилизации

Система динамической стабилизации предназначена для контроля поперечной динамики  автомобиля и  предотвращение  срыва  автомобиля в  занос и боковое скольжение посредством компьютерного управления  моментами силы колес. Иногда эту систему называют «противозаносной» или «системой поддержания курсовой устойчивости».  Она способна компенсировать ошибки водителя, нейтрализуя и исключая занос, когда контроль над автомобилем уже потерян.

Функции системы динамической стабилизации

 

Причиной большого числа ДТП является чело­веческий фактор. Даже при обычных условиях движения водитель и автомобиль могут достиг­нуть своих физических пределов вследствие, к примеру, неожиданного поворота дороги, вне­запно появившегося препятствия или непред­виденного изменения состояния дорожного покрытия. Увеличение скорости также может привести к потере водителем уверенного кон­троля над автомобилем, если силы поперечного ускорения, воздействующие на автомобиль, в такой ситуации достигнут уровня, требующего от водителя слишком больших усилий.

При резком изменении сцепления шин с до­рогой автомобиль внезапно начинает вести себя не так, как ожидает водитель, исходя из своего опыта. В таких экстремальных ситуациях води­тель зачастую уже не способен самостоятельно стабилизировать автомобиль; как правило, в состоянии паники он своими действиями лишь усугубляет потерю устойчивости. В результате образуется значительное расхождение между продольным движением автомобиля и его про­дольной осью (угол дрейфа β). Даже путем поворота рулевого колеса в противоположном направлении обычный водитель сможет само­стоятельно восстановить устойчивость лишь при угле дрейфа не более .

Система динамической стабилизации (ESP) — именно под этим названием компания Bosch вывела на рынок свою систему управ­ления динамикой движения — вносит значи­тельный вклад в преодоление таких ситуаций, помогая водителю сохранить управляемость автомобиля в физических рабочих пределах. Датчики постоянно фиксируют поведение и водителя, и автомобиля. Путем сравнения фактического состояния с заданным, подхо­дящим к той или иной ситуации, в случае значительных расхождений система вмешивается в работу тормозной системы и силового агре­гата для стабилизации автомобиля (рис.1 «Боковая динамическая реакция легкового автомобиля с ESP» ).

Боковая динамическая реакция легкового автомобиля с ESP

Встроенная функциональность антиблокировочной системы (ABS) предотвращает блокиро­вание колес при нажатии на тормоз, в то время как аналогично интегрируемая система управ­ления тяговым усилием (TCS) предотвращает пробуксовывание колес при трогании с места и разгоне. ESP — это комплексная система, охва­тывающая возможности, выходящие далеко за рамки ABS и комбинации ABS и TCS. Эта си­стема предотвращает отклонение автомобиля от курса с заносом задней оси (избыточная поворачиваемость) или передней оси (недостаточ­ная поворачиваемость), автомобиль слушается руля в рамках физически возможного.

Система ESP базируется на испытанных и зарекомендовавших себя компонентах систем ABS и TCS. Таким образом, можно активно тормозить воздействуя на отдельные колеса с высоким уровнем динамической реакции. На крутящий момент двигателя и, соответственно, тягу и пробуксовывание колес можно повлиять с помощью системы управления двигателем. Эти системы сообщаются между собой, к примеру, по шине CAN.

Требования к системе динамической стабилизации

 

Система динамической стабилизации (ESP) помогает повысить безопасность дорож­ного движения. Она улучшает поведение автомобиля на дороге в рамках физически возможного. Реакция автомобиля остается предсказуемой для водителя, и автомобиль становится более управляемым в критиче­ских ситуациях.

В рамках физических возможностей авто­мобиля курсовая устойчивость автомобиля улучшается во всех состояниях — при полном и частичном торможении, движении нака­том, разгоне, обгоне и изменениях нагрузки, а также, к примеру, в случае экстремальных маневров (при панической реакции). Значи­тельно снижается риск заноса.

В ряде ситуаций эффективность торможе­ния достигается путем использования тяговых характеристик при вмешательстве ABS и TCS, и когда активировано управление тяговым крутящим моментом двигателя (автоматиче­ское увеличение оборотов двигателя для по­давления избыточного тормозного момента двигателя). Это приводит к сокращению тор­мозного пути и увеличению тяги, улучшению устойчивости и повышению уровня чувстви­тельности рулевого управления.

Некорректные вмешательства систем мо­гут сказаться на безопасности. Комплексная концепция безопасности обеспечивает своев­ременное обнаружение всех неисправностей, которых не удается избежать, и система ESP полностью или частично отключается в за­висимости от типа неисправности.

Многочисленные исследования показали, что ESP значительно снижает количество ДТП, вызванных зано­сом, и уровень смертности в ДТП. Как след­ствие, оснащение автомобилей системой ESP стало обязательным в США и Канаде с сентя­бря 2011 года. В Евросоюзе (ЕС), все новые легковые автомобили и легкие грузовики должны оснащаться системой ESP с ноября 2011 года (неотъемлемая часть ECE-R 13Н). Для остальных новых автомобилей установ­лен переходный период до конца 2014 года. В других регионах, например, в Японии и Австралии, также будут вводиться такие тре­бования.



Принцип действия системы динамической стабилизации

 

Система динамической стабилизации (ESP) использует тормозную систему автомобиля и силовой агрегат для коррекции продольного и поперечного движения автомобиля в критиче­ских ситуациях. Когда подключается система динамической стабилизации, она смещает приоритеты управления тормозной системой. Основная функция колесных тормозов-замед­ление и/или остановка автомобиля — становится вторичной по важности, поскольку происходит вмешательство ESP для сохранения курсовой устойчивости автомобиля. ESP может также ускорять приводные колеса путем вмешатель­ства в работу двигателя, повышая устойчивость.

Оба механизма воздействуют на движе­ние автомобиля. При движении по окруж­ности в устойчивом состоянии существует определенная связь между усилиями на рулевом колесе и результирующим по­перечным ускорением автомобиля и, соответственно, силами на шинах в поперечном направлении (эффект подруливания). Силы, воздействующие на шину в продольном и поперечном направлениях, зависят от про­буксовки шины. Это означает, что на дви­жение автомобиля можно повлиять через скольжение шин. Торможение отдельных колес, например, заднего колеса на вну­треннем радиусе поворота в случае недо­статочной поворачиваемости или переднего колеса на внешнем радиусе поворота в слу­чае избыточной поворачиваемости помогает как можно более точно выдержать заданную траекторию движения автомобиля.

Термины Условные обозначения

Типичный маневр

 

Чтобы сравнить, как автомобиль будет вести себя в экстремальной ситуации с ESP и без ESP, рассмотрим следующий пример. Ма­невр движения отражает текущую ситуацию и базируется на программах моделирования, разработанных на основе результатов испы­таний. Результаты были подтверждены по­следующими дорожными испытаниями.

кривые параме­тров динамической реакции кривые параме­тров динамической реакции - 1

Быстрое маневрирование и выруливание

На рис.2 «Курсовая устойчивость во время последовательного прохождения правого/левого поворота» изображена реакция автомобиля без ESP и автомобиля с ESP при прохождении серии S-образных участков с быстрым маневрирова­нием и выруливанием на дороге с высоким ко­эффициентом сцепления шин с дорогой (μ = 1), без притормаживания и на исходной скорости 144 км/ч. На рис.3 изображены кривые параме­тров динамической реакции. В начале, при при­ближении к S-образному участку, условия для обоих автомобилей и их реакции идентичны. За­тем водители начинают маневрировать (фаза 1).

Курсовая устойчивость во время последовательного прохождения правого/левого поворота

 

Автомобиль без ESP

Как видно из рисунка, после начальной фазы резкое маневрирование у автомобиля без ESP уже угрожает потерей управляемости (рис. 2а, фаза 2). В то время как вращение руля быстро создало значительные попереч­ные силы на передних колесах, имеет место определенная задержка создания аналогич­ных сил на задних колесах. Автомобиль реа­гирует вращением по часовой стрелке вокруг своей вертикальной оси. Он лишь реагирует на попытки водителя вырулить (фаза 3), так как уже потерял управляемость. Резко возрастают скорость рыскания и угол бокового увода, и автомобиль срывается в занос (фаза 4).

Автомобиль с ESP

Автомобиль с ESP стабилизируется после первоначального маневрирования путем активного торможения переднего левого ко­леса для устранения угрозы потери устойчи­вости (рис. 2b, фаза 2): это происходит без вмешательства водителя. Это действие огра­ничивает занос внутрь, уменьшая скорость рыскания и стабилизируя угол разворота при движении по инерции. После изменения направления поворота, свое направление сначала меняет момент, и затем — скорость вращения вокруг вертикальной оси (между фазами 3 и 4). В фазе 4, второе короткое на­жатие на тормоз, на этот раз правого перед­него колеса — полностью восстанавливает устойчивость. Автомобиль продолжает дви­гаться по траектории, заданной водителем.

Структура системы динамической стабилизации

 

Цель системы управления динамикой

Контроль характеристик управляемости в пределах физически возможного направлен на то, чтобы сохранить три степени свободы автомобиля в плоскости дороги — линей­ную скорость vx, поперечную скорость vy и скорость ψ вращения вокруг вертикальной оси — в контролируемых пределах. Заду­манный водителем маневр преобразуется в динамическую реакцию автомобиля, адапти­руемую к характеристикам дороги в рамках процесса оптимизации, нацеленного на обе­спечение максимальной безопасности.

Структура системы и управления

Система ESP состоит из автомобиля как управляемой системы, датчиков, определяю­щих вводные переменные, исполнительных органов для коррекции тормозных, движу­щих и поперечных сил, а также иерархически структурированных контроллеров — контрол­лера поперечной динамики (высший уровень) и контроллеров колес (низший уровень) (рис.4 «ESP — общая система управления»). Контроллер высшего уровня определяет заданные значения для контроллеров низ­шего уровня в виде моментов или скольже­ния или их изменений. Внутренние систем­ные переменные, не измеряемые напрямую, такие как угол дрейфа β определяются при оценке условий движения.

ESP - общая система управления

Чтобы определить номинальное поведе­ние, анализируются сигналы, соответствущие командам водителя. Оцениваются сигналы от датчика положения рулевого колеса, датчика давления в тормозной системе (желаемое замедление, получаемое из тормозного давления, измеренного в гидравлическом блоке) и положения педали акселератора (желаемый крутящий момент двигателя). При вычислении номинального поведения также учитывается используемый потенциал коэффициента сцепления шин с дорогой и скорость автомобиля. Эти параметры оцени­ваются на основе сигналов, получаемых от датчиков частоты вращения колес, датчика поперечного ускорения, датчика скорости вращения вокруг вертикальной оси и датчика давления в тормозной системе. Затем вычис­ляется момент относительно вертикальной оси, который необходим для приближенного приведения параметров действительного со­стояния к параметрам требуемого состояния.

В целях получения требуемого момента ры­скания необходимо, чтобы изменения в вели­чинах тормозного момента и относительного скольжения колес определялись посредством контроллера ESP. Эти величины затем уста­навливаются контроллерами низшего уровня — контроллерами относительного скольжения и тягового усилия с помощью исполнительного механизма гидравлической тормозной системы и привода управления работой двигателя.



Оценка состояния движения

Для определения стабилизирующих вмеша­тельств важно не только знать сигналы от датчиков угловых скоростей колес vwhl, давле­ние на впуске рAdm, скорость вращения вокруг вертикальной оси поперечное ускорение ψ, угол поворота рулевого колеса δ и крутящий момент двигателя, но и ряд других внутренних системных переменных, которые могут быть из­мерены косвенно. К ним, к примеру, относятся силы, действующие на шины в продольном, поперечном и нормальном направлениях (Fx, Fy и Fn), линейная скорость vx, значения отно­сительного скольжения шин λi, угол бокового увода колес а на одной оси, угол дрейфа β поперечная скорость автомобиля vy и коэффи­циент сцепления μ. Они определяются по сигна­лам датчиков на базе вычислительных моделей.

Линейная скорость автомобиля vx имеет ключевую важность для всех контроллеров бокового увода колес и поэтому должна вычис­ляться с очень большой точностью. Это делается на основе автомобильной модели с использо­ванием измеренных угловых скоростей колес. Здесь необходимо учитывать влияние много­численных факторов. Скорость автомобиля vx уже в нормальных ситуациях вследствие тормо­жения или пробуксовки отличается от линейных скоростей вращательного движения колес vwhl. У полноприводных автомобилей, в частности, необходимо учитывать особенности привода колес. На поворотах колеса, движущиеся по внутреннему радиусу, проходят по траектории, отличной от траектории колес на внешнем ра­диусе, следовательно, их скорости разные.

Управляемость автомобиля меняется при обычной эксплуатации в ответ на изменения нагрузки, сопротивления движению (например, уклон дороги или изменение типа покрытия, ве­тер) или износ (например, тормозных колодок).

При всех этих граничных условиях ли­нейная скорость автомобиля должна оцени­ваться с отклонением в несколько процентов для обеспечения стабилизирующего вмеша­тельства в необходимой степени.

Контроллер поперечной динамики

Задачей контроллера поперечной динамики является вычисление фактического поведе­ния автомобиля на основании, например, сиг­нала скорости вращения вокруг вертикаль­ной оси и угла дрейфа, и сделать поведение автомобиля в экстремальной по динамике ситуации как можно более близким к по­ведению в обычной ситуации (номинальное поведение).

Связь, существующая при движении по окружности в устойчивом состоянии между скоростью вращения вокруг вертикальной оси и углом поворота рулевого колеса δ, линейной скоростью автомобиля vx и характеристиче­скими переменными, используется для опреде­ления номинального поведения. Применяя одно­колейную модель, получаем:

ψ = (v/ l) δ (1/ 1+(vx/vch)2)

в качестве базы для расчета номинального движения автомобиля. В этой формуле l озна­чает расстояние между передней и задней осями. Геометрические и физические параме­тры модели автомобиля обобщены в «характе­ристической скорости автомобиля» vch.

В этом случае переменная ψ ограничива­ется соответственно текущим коэффициентам скольжения и конкретными свойствами дина­мики автомобиля и ситуации движения (ини­циируемые водителем торможение или раз­гон) и такими условиями, как наличие уклона или различие в коэффициентах скольжения (μ-разделение). Таким образом, команда во­дителя известна как номинальная скорость вращения вокруг вертикальной оси ψNom.

Контроллер поперечной динамики сравни­вает измеренную скорость вращения вокруг вертикальной оси с номинальной и в случае значительных отклонений вычисляет момент вращения вокруг вертикальной оси, необхо­димый для совпадения переменной величины фактического состояния с номинальным зна­чением. На более высоком уровне контролиру­ется угол дрейфа β и по мере роста значений все в большей степени учитывается в расчете стабилизирующего момента вращения вокруг вертикальной оси ΔMZ. Эта выходная перемен­ная контроллера применяется посредством входных переменных тормозного момента и проскальзывания отдельных колес, корректи­руемых контроллерами нижнего уровня.

Стабилизирующие вмешательства вы­полняются на всех колесах, торможение ко­торых генерирует момент вращения вокруг вертикальной оси в требуемом направлении вращения, и на которых еще не достигнут предел передаваемых сил. У автомобиля с избыточной поворачиваемостью физический предел сначала превышается на задней оси. Поэтому стабилизирующие вмешательства выполняются на переднем мосту. У автомо­биля с недостаточной поворачиваемостью ситуация обратная.

Номинальные значения относительного скольжения λ’Nom, запрашиваемые контрол­лером поперечной динамики, на отдельных колесах устанавливаются с помощью кон­троллеров колес, т.е. контроллеров низшего уровня (см. рис. 4). Различают следующие три случая.

Управление колесами при движении накатом

Чтобы создавать как можно более точные вели­чины момента вращения вокруг вертикальной оси, необходимые для стабилизации автомо­биля, силы на колесах должны изменяться при определенных условиях путем контроля про­скальзывания колес. Номинальная величина проскальзывания, запрашиваемая контрол­лером поперечной динамики на том или ином колесе в случае отсутствия торможения регули­руется контроллером проскальзывания путем активного нагнетания давления. Для этого нужно как можно более точно знать величину текущего проскальзывания колеса. Оно вычисляется на основе сигнала измеренной скорости колеса и линейной скорости автомобиля vx. Номиналь­ный тормозной момент на колесе образуется из отклонения фактической величины проскальзы­вания от номинальной с использованием PID — регулирования (пропорционально-интегрально­дифференциального регулирования).

Колесо может подвергаться торможению не только в случае активного нагнетания давле­ния контроллером поперечной динамики. По­сле переключения на пониженную передачу и резком отпускании педали газа инерция движущихся деталей двигателя в определен­ной степени тормозит приводные колеса. При увеличении этой силы и соответствующего реактивного момента сверх определенного уровня шины теряют способность передавать результирующие нагрузки на дорогу и у них появляется тенденция к блокированию (на­пример, из-за внезапного наезда на скользкий участок дороги). Тормозное проскальзывание приводных колес можно ограничить в случае движения накатом посредством регулировки тормозного момента двигателя. Водителем это воспринимается как «плавный разгон».

Управление колесами при торможении

При торможении на отдельных колесах вы­полняются различные операции, в зависимо­сти от ситуации:

  • вмешательство водителя через нажатие пе­дали тормоза и вращение рулевого колеса;
  • эффект контроллера ABS, предотвращаю­щего блокировку отдельных колес;
  • вмешательства контроллера поперечной динамики, обеспечивающие устойчивость автомобиля за счет подтормаживания от­дельных колес, при необходимости.

Эти три требования должны координироваться таким образом, чтобы инициируемые водите­лем торможение и маневрирование реализовы­вались как можно полнее. Если управление ко­лесами выполняется главным образом с целью максимального замедления автомобиля, то его можно выполнять на основании ускорения ко­лес, надежно определеяемого по минимальной информации датчиков (управление неустой­чивостью). Для регулировки продольных и поперечных сил на шине для стабилизации автомобиля необходимо применять принцип управления проскальзывания, так как он также позволяет управлять колесами в неста­бильном диапазоне характеристики коэффи­циента сцепления / проскальзывания. Однако на основании имеющихся сигналов датчиков должна определяться абсолютная величина проскальзывания колеса до нескольких про­центов, в зависимости от скорости автомобиля.

Контроллер ABS

Задача контроллера ABS — обеспечить устойчивость и управляемость автомобиля в любых дорожных условиях и использование сцепления между шинами и дорогой в как можно большей степени. Будучи контролле­ром нижнего уровня по отношению к контрол­леру поперечной динамики, он выполняет эти функции путем модулирования тормозного давления на колесе таким образом, чтобы обеспечивалась максимально возможная про­дольная сила при сохранении достаточной поперечной устойчивости. Однако в ESP изме­ряется больше переменных, чем в ABS, имею­щей только датчики угловых скоростей колес. Таким образом, информация о движении колеса, такая как скорость вращения вокруг вертикальной оси или поперечное ускорение, получается путем прямого измерения с боль­шей точностью, чем при модельной оценке на основании нескольких измеренных значений.

В определенных ситуациях можно повы­сить эффективность системы путем адаптации управления ABS посредством использования переменных из контроллера поперечной ди­намики. Когда автомобиль тормозит на неров­ной дороге (μ -разделение), на левых и правых колесах возникают очень разные тормозные силы. В результате возникает момент вращения вокруг вертикальной оси, на который водитель должен реагировать выруливанием, чтобы стабилизировать автомобиль. Скорость нарас­тания этого момента и быстрота последующей реакции водителя зависят от момента инерции автомобиля вокруг вертикальной оси. ABS вы­зывает задержку увеличения момента вращения вокруг вертикальной оси, сдерживая рост дав­ления в колесном цилиндре переднего колеса с более высоким коэффициентом сцепления с дорожным покрытием. Эта функция ABS может также использовать информацию контроллера высшего уровня — контроллера поперечной ди­намики (по реакции водителя и поведению авто­мобиля) и, соответственно, даже еще лучше реа­гировать на фактическое движение автомобиля.

Если при торможении в повороте автомобиль при определенных условиях начинает пово­рачиваться, то тенденции к избыточной пово­рачиваемости можно противодействовать путем электронного распределения тормозных сил че­рез уменьшение давления на отдельных колесах. Если этого недостаточно, то помогает контроллер поперечной динамики путем активного нагнета­ния давления на переднем колесе, движущемся по внешнему радиусу поворота (уменьшение поперечной силы). При недостаточной же пово­рачиваемости тормозной момент увеличивается на заднем колесе, движущемся по внутреннему радиусу поворота (при условии, что колесо не контролируется системой ABS) и слегка умень­шается на переднем внешнем колесе.

Если у автомобиля появляется тенденция к избыточной поворачиваемости при смене по­лосы с полным или частичным торможением, то уменьшается давление на заднем внешнем колесе (увеличение поперечной силы), и уве­личивается давление на переднем внешнем ко­лесе (уменьшение поперечной силы). При недо­статочной поворачиваемости при торможении в повороте увеличивается тормозной момент в заднем колесе, движущемся по внутреннему ра­диусу поворота (при условии, что колесо еще не попало в диапазон вмешательства ABS) и слегка уменьшается на переднем внешнем колесе.



Управление колесами при активном движении

Как только приводные колеса начинают проскальзывать при активном движении, активируется контроллер низшего уровня — контроллер тягового усилия (TCS). На изме­ренную скорость колеса и соответствующее проскальзывания можно повлиять путем из­менения баланса крутящего момента на каж­дом приводном колесе. Контроллер TCS огра­ничивает крутящий момент на каждом колесе до величины, которая может быть передана на дорогу. Таким образом, команда водителя реа­лизуется после разгона настолько, насколько зто физически возможно, и одновременно обеспечивается фундаментальная курсовая устойчивость, так как слишком сильно умень­шаются боковые силы на колесе.

У автомобиля с активной осью в качестве регулирующих переменных используются средняя скорость колеса приводной оси.

 

vMWhl = 1/2 (vlWhl + vRWhl)

 

и разность скоростей    vDif = vlWhlvRWhl     между левым vlWhl и правым vRWhl колесами.

Структура контроллера TCS изображена на рис.5 . Опорные переменные контроллера поперечной динамики включаются в расчет номинального значения средней скорости колеса и разности скоростей колес, а также номинальных значений относительного скольжения и скоростей колес при движении накатом. При расчете номинальных значений vDifNom (номинальной разности скоростей при­водных колес на одной оси) и vWhlNom (номи­нальной средней скорости колес), вводные переменные для изменения номинального от­носительного скольжения ΔλNom и допустимая разность величин относительного скольжения ΔλDlfTolNom приводной оси или осей корректируют базовые значения, вычисленные блоком TCS. Кроме того, тенденция к недостаточной или избыточной поворачиваемости, выяв­ляемая контроллером поперечной динамики, через приращение номинального крутящего момента двигателя ΔМRedNom напрямую вли­яет на определение максимально допустимого приводного момента.

Структура контроллера TCS

Динамическая реакция силового агрегата зависит от сильно изменяющихся режимов работы. Поэтому необходимо определить те­кущий режим работы (выбранная передача, включение сцепления), чтобы можно было адаптировать параметры контроллера к ди­намической реакции регулируемой системы и к не линейным характеристикам.

Поскольку на среднюю угловую скорость ко­леса влияют переменные инерционные силы, возникающие в приводе в целом (в двигателе, трансмиссии, на ведущих колесах, на кардан­ном валу), то для описания её относительно медленной скорости динамической реакции ис­пользуется относительно большая постоянная времени. Среднюю угловую скорость колеса контролирует нелинейный PID-контроллер, при этом, в частности, приращение l-компонента (в зависимости от режима работы) может варьи­роваться в широком спектре. В стационарном случае l-компонент является мерой крутящего момента, который может быть передан на ко­лесо в точке контакта с поверхностью дороги. Выходной переменной этого контроллера явля­ется номинальный суммарный момент МMWhlNom.

И наоборот, постоянная времени для разности скоростей колес относительно мала и отражает тот факт, что собственные инерционные силы колес являются практически единственным определяющим фактором для динамической реакции. Кроме того, в отличие от средней ско­рости колес, двигатель влияет на неё лишь кос­венно. Разность скоростей колес vDif контролируется нелинейным Pl-контроллером. Поскольку притормаживания приводного колеса вначале становятся заметными только через баланс кру­тящих моментов этого колеса, то они изменяют распределение межколесного дифференциала, имитируя его блокировку. Параметры этого кон­троллера блокировки межколесного дифферен­циала лишь в минимальной степени зависят от включенной передачи и влияний двигателя. Если дифференциальная скорость на приводной оси отличается от номинальной vDlfNom больше, чем это допустимо («мертвая зона»), то запускается вычисление номинального дифференциального момента MDlfNom. «Мертвая зона» расширяется, если тормозных вмешательств TCS необходимо избегать, например, при прохождении поворотов на пределах возможностей.

Номинальные дифференциальные крутящие моменты

Номинальный суммарный и номинальный дифференциальный крутящие моменты явля­ются основой для распределения позициони­рующих сил между исполнительными меха­низмами. Номинальный дифференциальный момент MDlfNom задается разностью между крутящими моментами на левом и правом ведущих колесах путем активации соответ­ствующего клапана в гидравлическом блоке (ассиметричное вмешательство тормозов). Но­минальный суммарный момент МMWhlNom регу­лируется как вмешательствами двигателя, так и симметричным вмешательством тормозов.

У бензинового двигателя регулировки, пред­принимаемые через дроссельный клапан, относительно медленно дают эффект (задержка и переходная реакция двигателя). Для быстрого вмешательства через двигатель используются задержка момента зажигания и еще одна опция — селективное подавление импульсов впрыска. В дизельных двигателях электронный блок управления (EDC) умень­шает крутящий момент двигателя путем из­менения количества впрыскиваемого топлива. Для краткосрочной помощи в уменьшении крутящего момента двигателя можно приме­нять симметричное тормозное воздействие.

Во внедорожных условиях особую роль играет тяговое усилие. Обычно у внедорожни­ков управление тяговым усилием автоматически адаптируется путем идентификации ситуации для достижения наилучших уровней эффектив­ности и надежности. Другие автопроизводители дают водителю возможность выбрать различ­ные регулировки, от деактивации ограничения крутящего момента двигателя до адаптации к особым состояниям дороги (лед, снег, трава, песок, снежная каша, каменистый грунт).

Дополнительные функции поперечной динамики

Описанные выше базовые функции ESP могут также включать в себя дополнительные функ­ции поперечной динамики для особых катего­рий автомобилей, таких как полноприводные универсалы или внедорожники (SUV) и легкие фургоны, а также для особых требований к ста­билизации автомобилей.

Расширенное управление недостаточной поворачиваемостью

Даже в нормальных условиях движения автомо­биль может оказаться неспособным адекватно реагировать на вращение рулевого колеса (с образованием недостаточной поворачиваемости), если, к примеру, на повороте дорожное покрытие внезапно окажется мокрым или грязным. ESP может увеличить скорость вра­щения автомобиля вокруг вертикальной оси, создав дополнительный момент вращения. Это позволяет автомобилю пройти поворот с фи­зически возможной максимальной скоростью. Ожидаемая частота вмешательств и требования к комфорту у разных типов автомобилей раз­ные и поэтому имеются соответственно разные ступени расширения для выполнения таких тормозных вмешательств, которые влияют на поведение автомобиля при недостаточной по­ворачиваемости.

Если водитель захочет пройти поворот по меньшему радиусу, чем это физически воз­можно, то останется лишь уменьшение скорости автомобиля. Эту информацию можно считывать во время поворота в устойчивом состоянии по зависимости между радиусом поворота r, линейной скоростью автомобиля vx и скоростью вращения вокруг вертикаль­ной оси ψ:

 

r = vx / ψ

Чтобы автомобиль оставался на заданной траектории, он — без применения момента вра­щения вокруг вертикальной оси — тормозится настолько, насколько это необходимо путем торможения всех колес (расширенное управле­ние недостаточной поворачиваемостью, EUC).

Предотвращение опрокидывания

Легкие грузовики и другие автомобили с вы­соким центром тяжести, такие как внедорож­ники (SUV), могут перевернуться при возник­новении больших поперечных сил, например, из-за резкого руления при маневрах уклоне­ния от препятствия на сухой дороге (очень динамичные ситуации вождения) или при медленном увеличении поперечного ускоре­ния автомобиля до критического при съезде с автострады с уменьшающимся радиусом по­ворота на слишком высокой скорости (почти стационарные ситуации вождения).

Существуют особые функции (функции по­давления опрокидывания, RMF), выявляющие эти критические ситуации с помощью обычных датчиков ESP и стабилизирующих автомобиль путем вмешательства в работу тормозной си­стемы и двигателя. Для обеспечения своевре­менного вмешательства, в дополнение к манев­рирующим действиям водителя и измеренной реакции автомобиля (скорость вращения вокруг вертикальной оси и боковое ускорение), для оценки поведения автомобиля в ближайшем будущем используется прогнозирующая модель. В частности, при выявлении надви­гающейся опасности опрокидывания притор­маживаются два колеса на внешнем радиусе поворота. Это действие уменьшает поперечные силы на колесах и, соответственно, критиче­ское поперечное ускорение. Управление коле­сами должно выполняться с таким высоким уровнем чувствительности, чтобы, несмотря на сильно колеблющиеся вертикальные силы FN, управляемость не ухудшалась из-за тенденции к блокированию отдельных колес, особенно при очень динамичных маневрах уклонения. Уменьшение скоростей колес при приторма­живании отдельных колес также помогает во­дителю удержать автомобиль на своей полосе. В почти стационарных ситуациях движения точно выверенное уменьшение крутящего мо­мента двигателя также не позволяет водителю спровоцировать критическую ситуацию.

Момент стабилизирующего вмешатель­ства и его интенсивность должны быть как можно точнее адаптированы к текущему поведению автомобиля. Это поведение может значительно изменяться с нагрузкой, к при­меру, в случае с легкими фургонами и внедо­рожниками с багажниками на крыше. Такие автомобили используют дополнительные оценочные алгоритмы, вычисляющие массу автомобиля и изменение центра тяжести, вызванное распределением нагрузки, если это требуется для адаптации функций ESP (управление с адаптацией к нагрузке, LAC).

Подавление раскачивания прицепа

В зависимости от скорости движения автомо­били с прицепом подвержены раскачиванию вокруг вертикальной оси. Если автомобиль с прицепом или автопоезд движется со скоро­стью меньшей «критической» (обычно 90 км/ч и 130 км/ч), эти раскачивающие движения адекватно и быстро гасятся. Но если скорость оказывается выше, то небольшие повороты руля, боковой ветер или наезд на выбоину могут внезапно вызвать такие раскачивающие движения, которые быстро набирают интен­сивность и в конечном счете могут привести к ДТП из-за складывания автопоезда.

Периодическая избыточная поворачи­ваемость вызывает стандартные стабилизи­рующие вмешательства ESP, но они обычно приходят поздно и сами по себе не способны стабилизировать автопоезд. Функция пода­вления раскачивания прицепа (TSM) своевре­менно выявляет раскачивающие движения на основе сигналов стандартных датчиков ESP; это делается посредством анализа скорости вращения тягача вокруг вертикальной оси на основе моделей, с учетом маневрирующих движений водителя. Когда эти раскачи­вающие движения достигают критического уровня, автопоезд автоматически тормозится для уменьшения скорости до такой степени, чтобы даже малейшее последующее возбуж­дение не вызвало немедленных критических колебаний. Чтобы как можно эффективнее погасить колебания в критической ситуации, в дополнение к симметричному торможению через все оси тягача выполняются приторма­живания отдельных колес, быстро устраняю­щие раскачивание автопоезда. Ограничение крутящего момента двигателя предотвращает опасное ускорение автомобиля (инициируе­мое водителем) во время стабилизации.



Активация других исполнительных органов ESP

Наряду с использованием гидравлических колесных тормозов, предусмотрены и другие исполнительные механизмы, посредством которых можно влиять на динамику дви­жения автомобиля. Когда активное рулевое управление и системы шасси соединяются с ESP, образуя комплексную систему- систему управления динамикой автомобиля (Vehicle Dynamics Management, VDM), они в ком­плексе могут даже лучше поддержать води­теля, что еще больше повышает безопасность движения и динамику вождения.

В то время как сочетание системы стабилиза­ции рулевого управления с тормозной системой появилось в последние несколько лет, си­стемы для активации блокировки дифферен­циала в трансмиссии уже давно представлены на рынке. Большое количество таких систем означает, что соединение с ESP возможно во многих случаях. Дополнительный исполнитель­ный механизм может быть активирован либо непосредственно из расширенной функции ESP (принцип взаимодействия), либо через отдель­ный ЭБУ, обменивающийся информацией с ЭБУ ESP (параллельный принцип).

В полноприводных автомобилях созда­ваемый двигателем момент распределяется между обеими осями через межосевой дифференциал (рис.6 «Концепция полноприводного автомобиля с ESP»). Когда двигатель сначала приводит в действие одну ось, а другая ось соединена с двигателем через межосевой дифференциал, такая система называется за­висимой. Если этот межосевой дифференциал представляет собой разомкнутый дифферен­циал (без блокировки), то приводной момент ограничивается при увеличении пробуксовки одной оси. В самом неблагоприятном случае при пробуксовке колеса не происходит движе­ния вперед. В сочетании с ESP симметричные вмешательства торможением контроллера TCS на все колеса могут ограничить межосевую разность скоростей колес и тем самым до­биться продольного блокирующего эффекта.

Концепция полноприводного автомобиля с ESP

Управление тяговым усилием системы ESP может также сопоставляться с особыми принципами работы других типов межосевых дифференциалов, таких как Torsen и вязкие муфты. В принципе, все управляемые испол­нительные механизмы привода должны иметь определенный блокирующий момент и дина­мическую реакцию при размыкании и смыка­нии, чтобы адаптировать к себе подруливаю­щие свойства автомобиля.

Если привод автомобиля может быть вруч­ную переключен в различные режимы, то ESP может автоматически подстроиться под вы­бранный водителем режим. Поскольку ESP базируется на индивидуальном управлении колесами, то взаимодействие с механиче­скими блокировками дифференциала для езды по бездорожью возможно лишь при возможности автоматического размыка­ния блокировки дифференциала во время вмешательств контроллера поперечной динамики. В противном случае систему не­обходимо переключить на аварийный режим ABS, когда включена блокировка, потому что вмешательства системы динамической ста­билизации на одном колесе затронут и другие колеса, если оси жестко соединены.

Блокира­торы межосевого дифференциала

Наряду с простыми соединениями между двумя осями, имеются управляемые блокира­торы межосевого дифференциала, в которых электрический или гидравлический исполни­тельный орган активирует муфту, тем самым адаптируя момент блокировки (рис. 6А). Таким образом, на основании информации ESP (ско­рости колес, скорость автомобиля, скорость вращения вокруг вертикальной оси, боковое ускорение и крутящий момент двигателя), и с учетом переменных, специфичных для ис­полнительного органа (таких как механическая нагрузка) можно оптимально адаптировать со­отношение двух осей к текущей ситуации дви­жения (динамический крутящий момент при межосевом распределении, DCT-C).

Влияние распределения момента привода на поведение автомобиляПример на рис.7 «Влияние распределения момента привода на поведение автомобиля» показывает, как пере­менное распределение приводного момента влияет на поведение автомобиля. Если в случае риска избыточной поворачиваемости при прохождении поворота можно временно перебросить часть крутящего момента на переднюю ось, это необходимо делать лишь намного позже во избежание потери устой­чивости, для уменьшения крутящего момента двигателя или даже стабилизации автомо­биля вмешательством тормозной системы (показано максимально возможное перерас­пределение крутящего момента привода). Если автомобиль имеет тенденцию к недо­статочной поворачиваемости, то её можно уменьшить путем смещения крутящего мо­мента на заднюю ось. В обоих случаях дости­гается улучшение реакции автомобиля и по­вышение устойчивости. Пределы, в которых фактически возможно смещение крутящего момента привода, зависят от конфигурации конкретного привода.

Управляемый межколесный дифференциал на одной оси может быть активирован систе­мой ESP по аналогичным линиям к гибкому соединению двух осей. В плане принципа ра­боты система динамического распределения крутящего момента на колеса (Dynamic Wheel Torque Distribution, DWT) отличается лишь от блокировки межколесного дифференциала, выполняемой системой TCS через гидрав­лические колесные тормоза. Однако такой дополнительный исполнительный орган в обычных ситуациях также активно распреде­ляет момент привода между колесами одной оси. Это делается с минимальными потерями и с гораздо большей чувствительностью и комфортом, чем может быть достигнуто че­рез управление тяговым усилием в сочетании с регулированием тормозного момента и уменьшением крутящего момента двигателя, учитывая износ гидравлического блока ESP.

Компоненты программы

 

Гидравлический блок, непосредственно под­ключенный к нему ЭБУ (добавочный ЭБУ) и датчики скорости работают в сложных усло­виях моторного отсека и колесных арок. Дат­чик вращения вокруг вертикальной оси и дат­чик бокового ускорения либо встраиваются в ЭБУ, либо, как датчик угла поворота, уста­навливаются в салоне. На рис.8 «Компоненты ESP» показаны примерные места установки компонентов в автомобиле с электрическими и механиче­скими соединениями.

Компоненты ESP

Электронный блок управления

ЭБУ в виде печатной платы включает в себя, как и компьютер с двухъядерным процессо­ром, все приводы и полупроводниковые реле для активации клапанов и насосов, а также интерфейсные контуры для обработки сиг­налов датчиков и соответствующие комму­тирующие входы для дополнительных сигна­лов (например, выключатель стоп-сигнала). Имеются также интерфейсы (CAN, FlexRay) для сообщения с другими системами, такими как системы управления двигателем и транс­миссией.

Гидравлический блок

Гидравлический блок (также называемый ги­дравлическим модулятором), как в системах ABS или ABS/TCS, образует гидравлическое соединение между главным тормозным ци­линдром и рабочими цилиндрами колесных тормозов. Он преобразует управляющие ко­манды ЭБУ и через электромагнитные кла­паны регулирует давление в колесных тор­мозах. Гидравлический контур выполняется в виде каналов в алюминиевом блоке. Этот блок также используется для размещения необходимых элементов гидравлической функции (электромагнитных клапанов, плун­жерных насосов и камер-аккумуляторов).

В системе ESP должно быть 12 клапанов не­зависимо от конфигурации тормозных контуров (рис.9 «Схема гидравлического блока ESP (х-образная конфигурация тормозных контуров»). Кроме того, обычно встраивается датчик давления, измеряющий инициируемое водителем замедление через тормозное давление в главном тормозном цилиндре. Это повышает эффектив­ность стабилизации автомобиля при частично активных маневрах. Давление модулируется при регулировании со стороны ABS (пассивное регу­лирование) с помощью гидравлики ESP точно так же, как было описано для системы ABS.

Схема гидравлического блока ESP (х-образная конфигурация тормозных контуров

Но поскольку системы ESP также должны активно нагнетать давление (активное регули­рование) или повышать тормозное давление, создаваемое водителем (частично активное регулирование), используемый в ABS воз­вратный насос заменяется самовсасывающим насосом для каждого контура. Рабочие цилиндры тормозных механизмов колес и глав­ный тормозной цилиндр соединяются через коммутационный клапан, открываемый при нулевом электрическом токе, и переключаю­щий клапан высокого давления.

Модуляция давления в гидравлическом блоке ESPДополнительный невозвратный клапан с определенным давлением закрытия предот­вращает высасывание лишней тормозной жидкости из цилиндров колес. Насосы при­водятся в действие электродвигателем посто­янного тока в зависимости от потребностей. Двигатель вращает расположенный на его валу эксцентриковый подшипник.

На рис.10 «Модуляция давления в гидравлическом блоке ESP» показаны три примера моду­ляции давления. Чтобы нагнеталось дав­ление независимо от водителя (рис. 10с), коммутационные клапаны закрываются, а переключающие клапаны высокого давле­ния — открываются. Теперь самовсасывающий насос подает тормозную жидкость на соответствующее колесо или колёса, нагне­тая давление. Впускные клапаны других ко­лес остаются закрытыми. Чтобы уменьшить давление, выпускные клапаны открываются, а переключающие клапаны высокого дав­ления возвращаются в исходное положение (рис. 10b). Тормозная жидкость вытекает из рабочих тормозных цилиндров колес в резер­вуары низкого давления, опорожняемые насо­сами. Управление двигателем насоса, в зависимости от потребностей, уменьшает шум при нагнетании и регулировании давления.

Для частично активного управления (рис. 10а) переключающий клапан высокого давления должен быть способен открывать всасывающий канал насоса при высоком дифференциальном давлении (> 0,1 МПа). Первая ступень клапана открывается за счет магнитной силы катушки, находящейся под напряжением, а вторая ступень — за счет разности гидравлических площадей. Если контроллер ESP обнаружит нестабильное со­стояние автомобиля, то коммутирующие кла­паны (открытые при нулевом электрическом токе) закрываются, а переключающий клапан высокого давления (закрытый при нулевом электрическом токе) открывается. Затем два насоса генерируют дополнительное давление для стабилизации автомобиля. По заверше­нии вмешательства системы открывается вы­пускной клапан, и тормозная жидкость из ра­бочего тормозного цилиндра регулируемого колеса выходит в аккумулятор. Как только водитель отпустит педаль тормоза, тормоз­ная жидкость откачивается из аккумулятора обратно в бачок.

Система контроля

Комплексная система контроля безопасности является фундаментальной для обеспечения надежного функционирования ESP. Система контроля безопасности охватывает работу системы ESP вместе с ее компонентами и всеми другими функциональными взаимо­связями. В основе системы контроля безо­пасности лежат такие методы, как FMEA, FTA и исследования с моделированием неисправ­ностей. Применяются методы по исключению ошибок, которые бы имели последствия, относящиеся к безопасности. Крупномасштабные программы контроля гарантируют надежное и точное определение всех ошибок датчиков, которые не могут быть полностью исключены. Эти программы основаны на хорошо разработанных надежных программ­ных обеспечениях систем ABS и TCS, контро­лирующих все компоненты, подключенные к ЭБУ вместе с их электрическими подсоеди­нениями. Со временем надежное программ­ное обеспечение улучшалось более полным использованием возможностей, предостав­лявшихся дополнительными датчиками и их последующим приспособлением к специаль­ным компонентам и функциям ESP.

Работа датчиков контролируется в несколько этапов. Во время первой стадии датчики непре­рывно контролируются во время управления автомобилем на обрыв проводов и вероят­ность прохождения сигнала (внедиапазонная проверка, определение помех, физическое правдоподобие). В течение второго этапа наи­более важные датчики проверяются отдельно. Датчик скорости вращения вокруг вертикаль­ной оси испытывается путем преднамеренной расстройки чувствительного элемента и затем оценивается на прохождение сигнала. Даже датчик ускорения имеет внутренний фоно­вый контроль. При активации сигнал датчика давления должен показывать предопределен­ную характеристику; происходит внутренняя компенсация смещения и усиления. Датчик угла поворота рулевого колеса имеет свои собственные контрольные функции, которые непосредственно сопровождают какое-либо ошибочное сообщение, поступающее к ЭБУ. Дополнительно контролирует цифровой сиг­нал, постоянно передаваемый к ECU. Во время третьего этапа применяется аналитическая избыточность для контроля работы датчиков во время стационарного режима эксплуатации автомобиля. В данном случае используется мо­дель автомобиля с целью проверить тот факт, что не имеется нарушений для определенных связей между сигналами датчиков и движе­нием автомобиля. Эти модели также часто при­меняются для вычислений и компенсирования смещений датчиков, поскольку они остаются в пределах технических условий.

В случае возникновения ошибки система выключается или частично, или полностью, что зависит от типа ошибки. Реагирование системы на ошибки также зависит от того, действительно ли осуществлялось управ­ление.

В следующей статье я расскажу о кузове автомобиля.

Добавить комментарий

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