Mehatronika - oslanjanje 2(1)

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

SISTEM AKTIVNOG OSLANJANJA 1.

POLU-AKTIVNI SISTEM ZA OSLANJANJE

Sopstvena frekvencija vozila zavisi od krutosti opruge i opterećenja. Ukoliko se želi da se sopstvena frekvencija održi na određenom (pogodnom) nivou, neophodno je da se pri promeni opterećenja menja i vrednost krutosti opruge. Želja da se, pri različitim opterećenjima jednog vozila, sopstvena frekvencija održi u poželjnim granicama, ima za posledicu, kao što znamo, nastanak različitih kombinacija sistema za oslanjanje sa elastičnim elementima promenljivih karakteristika. Posebno treba skrenuti pažnju da su oscilacije vozila i njegovo složeno dinamičko ponašanje prouzrokovane, uglavnom, dejstvom neravnina tla, mada ne treba zanemariti i druge uzroke: uticaj okoline, uticaj vozača, uticaj kočenja i ubrzanja vozila, kretanje u krivini, neuravnoteženost rada motora, deformacije pneumatika, itd. Polu-aktivni sistemi za oslanjanje su analizirani u ovom poglavlju, pošto su po svojim karakteristikama znatno bliži aktivnim, nego pasivnim sistemima. Oni zadržavaju opružne i prigušne elemente, čija svojstva mogu biti menjana preko spoljne kontrole. Signal ili spoljna sila snadbeva ovaj sistem u cilju promene karakteristika. Ovaj proces kontroliše računar, mada on nema baš jednak stepen kontrole kao kod potpuno aktivnog oslanjanja. Pokazalo se međutim u praksi, da je ovaj vid oslanjanja skoro jednako efikasan kao i potpuno aktivni, pa ga češće možemo naći na današnjim vozilima pošto zahteva manju snagu i znatno je jednostavniji. Postoji nekoliko vrsta polu-aktivnih sistema: A) Disipativni polu-aktivni sistem (Slika 1) - Kod ovog sistema može kontinualno da se menja količina energije koja se rasipa (prigušuje) - promenom otvora u prigušivaču, na primer. Za promenu količine energije koja se rasipa potrebna je minimalna spoljna energija. Da bi se kod polu-aktivnog sistema oslanjanja ostvarila željena strategija automatskog upravljanja sistemom potrebne su, u načelu, dve grupe senzora kako bi se dobile potrebne informacije. Prvu grupu čine senzori za dobijanje informacija o kretanju vozila: ∗ senzori za brzinu zakretanja vozila, ∗ senzori za kočenje vozila - aktiviranje pedale kočnice, ∗ senzori za ubrzanje vozila - preko merenja položaja i brzine aktiviranja pedale gasa, ∗ senzori za brzinu vozila - preko merenja broja obrtaja izlaznog vratila menjača, ∗ senzori za bočno i podužno ubrzanje - pomoću davača postavljenih u težištu vozila. Pri izboru i postavljanju senzora iz ove grupe bolje je prikupljati informacije o akcijama vozača pri manevru nego odgovor vozila na manevar, jer se time Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

1

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

ostvaruje brže dobijanje informacija. Drugu grupu čine senzori za dobijanje informacija o kretanjima koja uglavnom utiču na komfor, a to su oscilatorna kretanja elastično i neelastično oslonjenih masa: ∗ senzori za relativno pomeranje točkova u odnosu na karoseriju, ∗ senzori za vertikalno ubrzanje karoserije iznad svakog točka, ∗ senzori za vertikalno ubrzanje točkova, i ∗ senzori za visinu karoserije iznad tla na sva četiri ugla vozila.

Slika 1. Blok-šema polu-aktivnog sistema za oslanjanje B) Sporo-aktivni sistem (Slika 2) - Sadrži aktuator redno vezan sa oprugom. Aktuator može da bude baziran na hidrauličkim ili električnim komponentama (u novije vreme imamo i mnogobrojna drugačija rešenja), a frekventna oblast mu je oko 3 Hz. Na ovom mestu, važno je skrenuti pažnju na činjenicu da je čovek najosetljiviji na delovanje vertikalnih vibracija učestanosti 4-8 Hz (prema ISO 2631), kao i na učestanosti niže od 1 Hz. Zbog toga, pri projektovanju sistema za oslanjanje treba izbegavati ove učestanosti. Karakteristika prigušenja sistema za oslanjanje i/ili krutost opruge može se prebacivati između nekoliko diskretnih nivoa kao odgovor na promenu uslova vožnje. Pritisak u sistemu za kočenje, ugao u sistemu za upravljanje ili hod sistema za oslanjanje su obično korišćeni da izazovu kontrolne promene pri višim nivoima prigušenja ili krutosti. Prebacivanje se dešava u deliću sekunde, čime se sistemu daje sposobnost da kontroliše ugaone komponente vibracija oslonjenih masa oko x-ose i oko y-ose, kao i translatorne komponente vibracija oslonjenih masa u pravcu z-ose, pod težim uslovima manevrisanja i pri lošijem putu. Međutim, vraćanje na “mekšu” regulaciju dešava se tek nakon zastoja u vremenu. Na ovaj način, sistem se ne prilagođava kontinuirano tokom pojedinačnih ciklusa oscilovanja vozila.

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

2

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

Slika 2. Blok-šema sporo-aktivnog sistema C) Sistemi sa nisko-frekventnim radnim opsegom - Krutost opruge i/ili prigušenje se neprekidno moduliraju kao odgovor na nisko-frekventno kretanje oslonjenih masa (1-3 Hz). D) Sistemi sa visoko-frekventnim radnim opsegom - Krutost opruge i/ili prigušenje se neprekidno moduliraju kao odgovor na nisko-frekventno kretanja oslonjenih masa (1-3 Hz) i visoko-frekventno kretanja osovine (10-15 Hz). ADAPTIVNI SISTEM - Onaj sistem u kome se neki parametri sistema za oslanjanje mogu da menjaju u zavisnosti od promene uslova rada vozila, npr. različitih neravnina tla ili brzine kretanja. Pasivni sistem može biti adaptivan ako je u njega ugrađen veći broj opruga različitih krutosti i prigušivača različitih stepena prigušenja. Adaptivno upravljanje sistemom bira "najbolju" oprugu i prigušivač za trenutni uslov rada vozila (npr. pri kretanju autoputem bira "meku" oprugu i visoko prigušenje). Takođe, aktivni sistem može biti, a veoma često i jeste, adaptivan. Neki autori svrstavaju adaptivne sisteme u polu-aktivne, pa čak i u sisteme oslanjanja sa samoravnanjem. Važno je naglasiti da je ova podela sistema oslanjanja na kategorije samo uslovna, i da se razlikuje od autora do autora. Danas je velika ekspanzija ovih sistema, od kojih posebno treba izdvojiti sistem kontrole prigušenja vibracija šasije (Body Control Damping - BCD) i MagneRide sistem. Proizvođač oba sistema je Delphi, jedan od najvećih proizvođača elemenata sistema oslanjanja na svetu. BCD je polu-aktivni sistem kontrole prigušenja, koji reaguje u realnom vremenu na uslove tla po kome se kreće vozilo i uslove vožnje, a koji je zasnovan na kretanju karoserije i koji koristi ABS senzore za merenje brzine točka. Sistem se sastoji od četiri kontrolisana prigušivača (svaki nezavisno jedan od drugog), senzora za merenje brzine točka (postojeći ABS senzori), kontrolera (samostalan ili integralno za ABS modulatorom) i, opciono, senzora u sistemu za upravljanje. BCD sistem je dizajniran za putnička vozila i laka teretna vozila, sa postojećim ABS sistemom i

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

3

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

senzorima. Ovaj sistem se može instalirati nezavisno od vrste prigušivača. Odziv povratne sprege je oko 10 msec, dok je za odziv prigušivača potrebno 20-30 msec. Neophodna jačina struje je manja od 4A. Masa i zapremina koju zauzima ovaj sistem su manji u odnosu na slične sisteme. Senzora mora biti 3-4, i to sa promenljivom magnetnom otpornošću. Senzor brzine točka (4) Senzor točka upravljača (opciono)

Kontrolisani prigušivači (4)

Integrisani kontroler

Hidraulička instalacija Tok signala

Slika 2a. BCD sistem MagneRide sistem je, takođe, polu-aktivni sistem za oslanjanje baziran na magneto-reološkom (MR) fluidu. Sastoji se od jednocevog prigušivača sa MR fluidom, kompleta jednostavnih senzora (4 senzora pomeranja sistema za oslanjanje, senzor bočnog ubrzanja i senzor pomeranja točka upravljača) i onboard kontrolera. Sila prigušenja koju razvija MR prigušivač se neprekidno prilagođava u širokom opsegu svake milisekunde. MR prigušivači daju veoma brz odziv visoko-frekventnog radnog opsega (preko 50 Hz) i izuzetno su postojani i neosetljivi u odnosu na kavitaciju i kontaminaciju. Jednocevni su i punjeni gasom. Mogu da rade u temperaturskom opsegu od -40°C do +70°C. MagneRide sistem ne koristi skupe elektro-mehaničke ventile i nema malih pokretnih delova, što je karakteristika svih drugih sistema. Aktuatori kod ovog sistema su znatno brži i obezbeđuju bolji odziv. Takođe, rad sistema je praktično bešuman. Potrebna snaga je samo oko 20W po prigušivaču, koji je maksimalno aktivan. Radna temperatura za senzore je od -40°C do +105°C, a za kontroler od -40°C do +85°C. Odziv celog sistema je oko 15 msec.

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

4

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

Slika 2b. Uticaj MagneRide sistema na performanse vozila MR fluidi su suspenzije sintetičkih ugljovodoničnih ili silikonski baziranih tečnosti, sa čvrstim česticama koja imaju magnetna svojstva. To ovom fluidu omogućava nisku početnu viskoznost i veliku osetljivost na promenu magnetnog polja. Tu promenu izaziva elektromagnetni namotaj koji se nalazi unutar cilindra prigušivača. Kada se kroz njega propusti struja dolazi do izuzetno brze promene reoloških osobina MR tečnosti, odnosno do povećanja sile prigušenja. Ovaj efekat je reverzibilan, što znači da sa prestankom dejstva elektromagnetnog polja dolazi do smanjenja sile prigušenja, a uz to na MR efekat nema uticaj povećanje temperature. Pod uticajem elektromagnetnog polja čvrste čestice u MR fluidu formiraju lance čime dolazi do promene sile prigušenja.

2.

OSLONJENA I NEOSLONJENA MASA - OSNOVNI PARAMETRI

Konstrukcija aktivnog oslanjanja mora da reši neraskidivu povezanost između kvaliteta vožnje u pogledu vibracija, performansi upravljanja, hoda sistema oslanjanja i potrošnje energije. Da bi smanjili vertikalno ubrzanje karoserije zbog komfora putnika, neophodno je korišćenje većeg hoda sistema oslanjanja. Ovo povećava verovatnoću prekoračenja krajnje granice hoda sistema oslanjanja kada vozimo preko ulegnuća ili ispupčenja na kolovozu, što uzrokuje ne samo prilično neugodan osećaj kod putnika već i habanje sastavnih komponenti vozila. Otuda, aktivno oslanjanje treba da ima sposobnost različitog ponašanja na glatkim i neravnim podlogama. Željeni odgovor treba da bude mek, da bi se povećao komfor vožnje, ali kada je površina tla suviše neravna, tada treba da dođe do povećanja krutosti sistema za oslanjanje da bi se izbeglo prekoračenje njegovih granica. Vožnja se smatra veoma komfornom kada je prirodna frekvencija u opsegu od 60 do 90 ciklusa po minutu (cycles per minute - CPM), ili oko 1-1.5 Hz. Kada se frekvencija približi 120 CPM (2 Hz), putnik će osetiti određenu nelagodnost. Otuda, sistem oslanjanja prosečnog vozila srednje klase će imati prirodnu frekvenciju 6090 CPM. Sportska vozila vrhunskih performansi će imati "čvršće" oslanjanje sa

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

5

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

prirodnom frekvencijom 2 do 2.5 Hz. Danas su naše informacije o osetljivosti ljudskog organizma na vibracije veoma detaljne. Znamo da postoje određene frekvencije koje su izrazito nepovoljne. Na primer, frekvencija u opsegu od 30 do 50 CPM će izazvati osećaj mučnine. Unutrašnji organi u trbušnoj duplji su objekt dejstva frekvencija između 300 i 400 CPM. Glava i vrat su posebno osetljivi na vibracije od 1000-1200 CPM (18-20 Hz). Takođe, podužne oscilacije se prvenstveno prenose na trup. Iznenađujući je podatak da čovek posebno oseća podužne vibracije u opsegu 60-120 CPM, a to je područje izraženog komfora kada se radi o vertikalnim vibracijama. Neudobnost od strane podužnih neravnina se javlja kada vozilo "galopira" ili kada su sedišta nagnuta unazad za ugao koji je veći od normalnog. O svemu ovome treba voditi računa prilikom projektovanja sistema za oslanjanje. Detaljnije preporuke o osetljivosti čoveka na vibracije možemo pronaći i u standardu ISO 2631. Uticaj vertikalnih vibracija na čoveka prema ISO 2631 prikazan je na Slici 2c.

Slika 2c. Uticaj vertikalnih vibracija na čoveka prema ISO 2631 Jedan od osnovnih parametara koji definiše aktivnu kontrolu je maseni koeficijent: χ = mu/ms, pri čemu je ms - oslonjena masa, a mu - neoslonjena masa. Oslonjena masa koja počiva na sistemu za oslanjanje i oprugama (sa kojima smo zamenili pneumatik) je sposobna da se kreće u vertikalnom pravcu. Efektivna krutost sistema oslanjanja i tih opruga, koja se naziva prirodna frekvencija sistema oslanjanja ili stopa vibracija oslonjenih masa (Ride Rate - promena opterećenja točka na mestu kontakta pneumatik-tlo, po jedinici vertikalnog pomeranja oslonjene mase, u odnosu na tlo pri nekom određenom opterećenju), je: RR = gde je:

ks ∗ ku

ks + ku

,

(1-1)

ks - krutost opruge oslonjene mase, ku - krutost opruge neoslonjene mase.

U odsustvu prigušenja, prirodna odskočna frekvencija na svakom uglu vozila je:

ωn =

RR [rad/sek] ili f n = 0 . 159 ms

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

RR [ciklusa/sek], Wg

(1-2)

6

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

gde je W = ms*g, težina oslonjenje mase. Kada imamo prigušenje, kao u slučaju postojanja sistema za oslanjanje, rezonanca se javlja pri “prirodnoj prigušnoj frekvenciji”, koja je izražena na sledeći način: ωd = ωn ∗ 1 − z 2 (1-3)

gde je faktor prigušenja: z=

Cs 4k sm s

(1-4)

Vrednost faktora prigušenja je za putnička vozila u granicama 0.2 - 0.4, ako želimo dobar kvalitet vožnje u odnosu na vibracije. Pri tome je Cs koeficijent prigušenja sistema za oslanjanje. 2.1.

KRUTOST I PRIGUŠENJE SISTEMA ZA OSLANJANJE

Kako su opružni elementi sistema za oslanjanje (krutost oslonjenih masa - ks) povezani sa relativno krutom oprugom - pneumatik (krutost neoslonjenih masa ku), ova prva ima dominantan uticaj u određivanju prirodne frekvencije sistema oslanjanja (jednačina 1-1) i, otuda, u određivanju prirodne frekvencije sistema u vertikalnom pravcu. Kako se ulazna amplituda ubrzanja od strane tla povećava pri većim frekvencijama, najbolja izolacija sistema oslanjanja se postiže održavanjem prirodne frekvencije na što nižem nivou. Za vozilo sa datom težinom, stoga je poželjno koristiti opruge sa što nižom krutošću da bi smanjili prirodnu frekvenciju. Efekat ubrzanja na oslonjenu masu može biti procenjen analitički pomoću aproksimacije ulaznog ubrzanja od strane tla kao funkcije koja raste sa kvadratom frekvencije. Slika 3 pokazuje spektar ubrzanja izračunat za četvrtinski model u kome je krutost opruge imala različite vrednosti, da bi se dobile prirodne frekvencije u opsegu 1-2 Hz. Zato što je predstavljena na linearnoj skali, oblast ispod krivih pokazuje relativni nivo srednjeg kvadratnog ubrzanja u opsegu pomenutih frekvencija.

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

7

Srednje kvadratno ubrzanje

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

Prirodna frekvencija oslonjenih masa

Frekvencija (Hz)

Slika 3. Spektar ubrzanja sa različitim prirodnim frekvencijama oslonjene mase

Najniže ubrzanje se dešava pri prirodnoj frekvenciji od 1 Hz. Pri većim vrednostima prirodne frekvencije (kruće opruge sistema za oslanjanje), vrh krive ubrzanja u opsegu 1-5 Hz raste, što odražava veće prenošenje ulaznog ubrzanja u odnosu na samo vozilo, a srednje kvadratno ubrzanje se povećava za nekoliko stotina procenata. Sem toga, kruće opruge podižu prirodnu odskočnu frekvenciju točka na blizu 10 Hz, dozvoljavajući veći prenos ubrzanja u opsegu viših frekvencija. Prigušenje u sistemu oslanjanja dolazi prvenstveno od dejstva hidrauličkih prigušivača. Kao što je već istaknuto, u suprotnosti sa njihovom imenom, oni ne apsorbuju udar od neravnina tla. Zapravo, sistem za oslanjanje apsorbuje udare, a funkcija prigušivača je da raspe energiju unetu u sistem preko tih udara. Nominalni efekat prigušenja je ilustrovan je na Slici 4, i to za četvrtinski model vozila pomoću dobijenog odziva. Procenat prigušenja je određen za faktor prigušenja dat u jednačini (1-4), koja definiše taj stepen. Pri veoma malom prigušenju od 10% tim odgovorom dominira vrlo jak odziv na frekvenciji od 1 Hz. Ovaj tip reakcije, često nazvan "kontrolisano usporavanje vozila" (float), je uzrok što oslonjene mase povećavaju dužinu “talasastog” kretanja na kolovozu. Pošto je ovo nepoželjno, prednost je ostvarena na svim frekvencijama ispod rezonantne tačke kao rezultat postignute visoke prigušenosti.

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

8

Dobijeni odziv

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

Prigušenje

Frekvencija (Hz)

Slika 4. Efekat prigušenja na ponašanje izolovanog sistema oslanjanja

Kriva prigušenja od 40% je uglavnom reprezentativna za većinu putničkih vozila, što pokazuje činjenica da je pojačanje rezonantne frekvencije u opsegu 1.5 - 2.0 Hz. Pri prigušenju 100% (kritično), translatorna komponenta vibracija oslonjenih masa u pravcu z-ose, od 1 Hz, dobro je kontrolisana, ali sa određenim greškama, pri višim frekvencijama. Ako prigušenje prelazi kritično, na primer 200%, prigušivač postaje toliko krut da se sistem za oslanjanje više ne pomera, a vozilo poskakuje na točkovima, sa rezonancom u opsegu 3 - 4 Hz. Polazeći od šeme klasičnog sistema za oslanjanje, znamo da se sa oprugom manje krutosti postiže bolji komfor, ali takav sistem zahteva veći radni prostor (zbog većih hodova), što je u suprotnosti sa zahtevima konstruktora karoserije. Sistem za oslanjanje sa oprugama manje krutosti, u principu, uslovljava znatno njihanje što nije preporučljivo sa aspekta ponašanja vozila na putu. Izbor prigušivača je kompromis između izolacije vibracija koje se od točka prenose na karoseriju i odskakivanja točka (gubitak kontakta vozila sa tlom). Izbor opruga i prigušivača je veoma složen i kada se radi samo o četvrtinskom modelu vozila.

3.

AKTIVNI SISTEM ZA OSLANJANJE

3.1.

OPŠTA RAZMATRANJA

Često ponavljana činjenica je da konstrukcija sistema oslanjanja zahteva kompromis između komfora putnika i upravljivosti vozila. Uvođenje aktivnih elemenata u sistem oslanjanja dozvoljava da taj kompromis bude redefinisan što može doneti poboljšanje u pogledu komfora putnika i performansi vozila, mada ograničenja još uvek postoje. Kao što je ranije istaknuto, zahtevi koji se postavljaju pred sistem za oslanjanja vozila su, između ostalih, smanjenje vertikalnog ubrzanja karoserije radi povećanja komfora putnika i smanjenje dinamičkog opterećenja točka da bi obezbedili maksimalno prianjanje vozila prilikom zakretanja i kočenja.

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

9

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

Aktivno oslanjanje je najradikalniji prodor u tehnologiji sistema oslanjanja posle opruga, koje su dodate konjskim zapregama oko 1665. godine. Sistem za oslanjanje je za ova tri veka pretrpeo velike izmene, ali je uvek bio zavistan od mehaničkih opruga bilo koje vrste. Aktivna tehnologija obećava revoluciju u projektovanju sistema oslanjanja, napuštanjem konvencionalnih opruga.

Prvobitni sistemi aktivne kontrole su razvijani sa ciljem da se koriste na bolidima Formule 1. Zbog strogih propisa FIA (Federation Internationale de L'Automobile), na Formuli 1 se više ne koriste aktivni sistemi oslanjanja, što ne znači da konstruktori ne razvijaju i dalje ove sisteme. U kratkom periodu, kada su sistemi aktivnog oslanjanja bili dozvoljeni u trkama Formule 1, pokazalo se da predstavljaju veoma značajnu prednost za bolide koji su imali ovaj sistem (Williams, McLaren). To je zbog toga što brzina u krivini Formule 1, kao što je poznato, zavisi od stabilnih aerodinamičkih parametara i održavanja u milimetar preciznog klirensa u odnosu na tlo, što aktivno oslanjanje može da obezbedi. Sve opruge se u osnovi ponašaju na isti način - sve one akumuliraju energiju u nekom fiksnom odnosu sa količinom energije kojoj su izložene: pritisku, uvijanju ili savijanju. Odnos između pomeranja i sile će uvek postojati, bilo da je on linearan ili ne. Kada je opruga izložena opterećenju, ona se sabija sve dok sila koju proizvodi sabijanje ne bude jednaka opterećenju na njoj. Ako tada neka druga sila deluje na opterećenje, onda će ono oscilovati gore-dole oko svog prvobitnog položaja neko vreme. Prigušenje ovih oscilacija je glavni cilj prigušivača.

Opruge i prigušivači imaju dva osnovna ograničenja: ne mogu se dobro prilagoditi širokom opsegu varijacija opterećenja i ne mogu rešiti međusobno suprostavljene zahteve - udobnu vožnju i odgovarajuću upravljivost. I opruge i prigušivači su pasivni elementi, tj. oni jednostavno reaguju na sile koje deluju na njih. Zbog toga što oni "ne znaju" odakle dolazi sila o kojoj je reč, oni reaguju identično i na kretanje točkova i na kretanje karoserije. U idealnim uslovima prigušivač bi obezbedio mali otpor kretanju točkova i veliki otpor kretanju karoserije. U praksi se međutim dešava suprotno. Takođe, u idealnim okolnostima, opruga bi bila dovoljno kruta da podupire maksimalno opterećenje vozila, a da pri tome njena krutost ne izaziva neudobnost. Sa druge strane, prigušivač bi bio dovoljno mek da omogući sistemu za oslanjanje da se slobodno kreće preko neravnina na tlu, a opet dovoljno čvrst da se karoserija drži u stabilnom stanju prilikom iznenadne promene putanje. Dobra upravljivost, pak, zahteva oslanjanje koje se nalazi negde između ova dva prethodno pomenuta načina oslanjanja. Iz razloga što konvencionalne komponente ne mogu adekvatno da reaguju u svim ovim situacijama, konstrukcija sistema za oslanjanje predstavlja niz kompromisa. Aktivno oslanjanje se smatra i načinom povećanja slobode koju ima konstruktor u određivanju karakteristika (kvalitet vožnje, mogućnost opterećenja vozila i upravljivost), nezavisno jedne od drugih. Pasivni sistem

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

10

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

oslanjanja ima sposobnost da skladišti energiju pomoću opruga i da je rasipa pomoću prigušivača. Njegovi parametri su, uopšteno gledano, fiksni. Aktivni sistem oslanjanja ima sposobnost da skladišti, rasipa i da unosi energiju u sistem. Njegovi parametri mogu varirati u zavisnosti od radnih uslova i, samim tim, on može posedovati i druge informacije osim informacije o ugibu sklopa opruga-prigušivač, na kojoj se bazira pasivni sistem. Kod aktivnog sistema za oslanjanje (prvo su razvijeni hidraulički sistemi), opruge su zamenjene hidrauličkim aktuatorima i kontrolnim ventilima na svakom točku. Oni su, pak, povezani sa rezervoarom i pumpnim sistemom. Aktuatori se mogu konstruisati tako da reaguju vrlo brzo na sve promene profila puta, a svaki od njih će obezbediti jaču ili slabiju silu na točkovima na osnovu informacija koje prima od centralnog kontrolnog računara. Oni generišu kontrolnu silu da bi savladali vibracije oko podužne i vertikalne ose. Ovaj sistem takođe može funkcionisati i kao stabilizator, pri čemu je sve opet pod kontrolom računara. Pumpa obezbeđuje sistemu konstantan pritisak, tako da on može brzo reagovati kada je to potrebno. Čitav taj proces očevidno zahteva trošenje veće količine snage. Otuda, ovaj sistem možemo pronaći jedino na vrhunskim vozilima. Ovi sistemi su, u velikoj meri, zavisili od razvoja kompjutera, i tek skoro, kada su ovi dobili dovoljnu brzinu, mogu se koristiti u ovakve svrhe. Na Slici 5 prikazana je šema jednog potpuno aktivnog sistema: Pumpa

Akumulator

Rezervoar

Kontrolni ventili

Pneumatska opruga

Zadnji kontrolni ventil

Slika 5. Šema instalacije aktivnog sistema za oslanjanje

Aktivni sistemi za oslanjanje, kao što smo napomenuli, uključuju aktuatore koji generišu željenu silu oslanjanja. Aktuator ili potpuno zamenjuje konvencionalne opruge i prigušivače ili je vezan paralelno sa oprugom. Aktuator radi na osnovu signala potrebne sile koju generiše, najčešće mikroprocesora, a na osnovu merenja informacije ubrzanja i relativnog pomeranja točkova u odnosu na karoseriju. Aktuatori, koji se koriste na vozilima, ranije su obično bili hidraulički ili

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

11

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

pneumatski cilindri, dok danas imamo dosta različitih rešenja. U svakom slučaju, da bi sistem funkcionisao, zahteva se spoljna sila. 3.1.1. PODELA SISTEMA AKTIVNOG OSLANJANJA Aktivni sistemi se mogu klasifikovati kao sistemi sa nisko-frekventnim i sistemi sa visoko-frekventnim radnim opsegom, na isti način kao i polu-aktivni sistemi. Ovu podelu treba tretirati samo kao uslovnu, u tom smislu što pojedini autori pod aktivnim sistemima smatraju samo one sa visoko-frekventnim radnim opsegom. Često se za njih koristi i izraz "potpuno" aktivni sistem za oslanjanje (Slika 6). On sadrži samo aktuatore i teži da poboljša odziv sistema za oslanjanje u blizini frekvencija od 10-15 Hz (frekvencija poskakivanja točka - tire-hop frequency) i oko frekvencija 1-4 Hz (rattle-space frequency). Obe ove frekvencije su, praktično, rezonantne frekvencije sistema. Ovim aktivnim sistemima je potrebna širina opsega tako visoke frekvencije zato što vibracije neoslonjene mase (koje iniciraju neravnine tla) moraju biti apsorbovane aktivnim putem. Postizanje širine opsega nije jednostavno ako se uzmu u obzir troškovi i ograničen prostor za smeštaj sistema za oslanjanje.

Slika 6. Blok-šema aktivnog sistema oslanjanja za četvrtinski model vozila

Sistemi oslanjanja sa nisko-frekventnim opsegom teže da kontrolišu oslanjanje preko nižeg frekventnog opsega. Pri višim frekvencijama (preko 4 Hz) aktuator se efikasno blokira i otuda se poskakivanje točka kod ovih sistema kontroliše pasivnim putem - preko prigušivača. Sa ovim sistemom možemo postići značajno smanjenje njihanja i galopiranja tokom manevrisanja, naročito tokom zakretanja i kočenja, i sa znatno nižom potrošnjom energije i nižim zahtevima u pogledu hardvera, nego kod sistema sa visoko-frekventnim opsegom. Pored ove dve vrste, neki autori pominju i predviđajuće (navigacione) sisteme. Oni teže da povećaju radni opseg sistema ograničenih po opsegu korišćenjem prenosne kompenzacije - sprege unapred (feed-forward). Neki sistemi imaju za cilj

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

12

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

da mere neravnine puta ispred vozila (jedno od mogućih rešenja je laserski sistem), i da onda koriste i standardnu kontrolu povratnom spregom i kontrolu spregom unapred (uz pomoć senzora) da bi postigli bolji odziv. Drugi, međutim, teže da koriste dostupne informacije o ugibu sklopa prigušivač-opruga na prednjoj osovini da bi poboljšali performanse sistema oslanjanja na zadnjoj osovini. Ograničavajući faktori u široj primeni sistema aktivnog oslanjanja su visoki troškovi, koji i dalje ne opravdavaju prednosti u pogledu performansi. Za najširu komercijalnu primenu moraju se koristiti mnogo jeftiniji aktuatori i kontrolni ventili. Takvi polu-aktivni ili sistemi oslanjanja sa nisko-frekventnim opsegom predstavljaju standard kome bi, za sada, trebalo težiti. Ovaj sistem nam daje u jednom sklopu i aktivne elemente, koji prigušuju frekvencije niskog nivoa, i pasivne elemente, koji prigušuju frekvencije visokog nivoa. Sistemi aktivnog oslanjanja su dostupni na veoma malom broju vozila i zbog velike potrošnje energije. Velika potrošnja je rezultat načina na koji se dobijaju kontrolne sile u sistemu za oslanjanje, i ona raste proporcionalno sa povećanjem širine frekvencijskog opsega. Izvan radnog opsega aktuatora, problem će predstavljati i način prigušenja buke, pogotovo ukoliko ceo sistem nema veću dozu fleksibilnosti. Osim toga, sistem sa brzim aktuatorom, kakav je aktivni sistem, ima ograničenje u odnosu na prigušenje buke od točka na karoseriju, u oblasti frekvencija izvan radnog opsega aktuatora. Pri realizaciji poluaktivnih i aktivnih sistema veoma je važna brzina odgovora sistema. Dok je za upravljačke manevre vreme odgovora oko 200 ms adekvatno, dotle ono za komfor i sprečavanje poskakivanja točkova mora biti manje, tj. brzina odgovora mora biti viša. 3.1.2.

TRADICIONALNA I SAVREMENA REŠENJA SISTEMA AKTIVNOG OSLANJANJA

Sistem aktivnog oslanjanja se pojavio na tržištu 1962. godine, mada se na sportskim vozilima može pronaći i ranije. To je bio Hydrolastic sistem (Morris 1100 MKII i Austin 1100), koji se po današnjim standardima ne klasifikuje u potpuno aktivne sisteme, iako je funkcionisao veoma dobro. On je zahtevao međusobnu vezu osovina hidrauličkom instalacijom, kao što je pokazano na Slici 7.

Slika 7. Prvobitna verzija aktivnog sistema za oslanjanje - Morris 1100

Neka od prvih rešenja su Citroenovo hidropneumatsko i Linkolnovo pneumatsko oslanjanje. Oba sistema koriste senzore pomeranja u vertikalnom pravcu da bi

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

13

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

promenili krutost opruge proporcionalno promenama u opterećenju. Međutim, oni reaguju veoma sporo i ne mogu se dovoljno brzo prilagoditi dinamici vožnje. Drugi način za rešenje problema su prigušivači, koji se mogu podešavati i time omogućiti izbor krive prigušenja. Oba ova sistema smanjuju u određenoj meri nesklad između udobnosti vožnje i upravljivosti, ali oni, ipak, reaguju identično na kretanje točkova i karoserije. Lotusov sistem aktivnog oslanjanja, koji je razvijen osamdesetih godina, prevazilazi ovaj problem na dva različita načina: prvo - umesto opruga i prigušivača on koristi hidrauličke aktuatore sa spoljnim napajanjem i drugo - on koristi za to vreme najnoviju kompjutersku tehnologiju da bi razdvojio kontrolu točka i kontrolu karoserije. Iako se ovaj mehanizam činio veoma komplikovanim, to je u stvari jednostavna tehnologija. Slični aktuatori i hidraulički sistemi upravljaju kontrolnim površinama aviona - za tu namenu su prvobitno i bili konstruisani. Kompjuter koji je kontrolisao sistem, međutim, bio je izuzetno moćan. Da bi držao korak sa promenom dinamičkih uslova i samog profila tla, sistem mora odrediti pravce delovanja, intenzitete i uzroke svih opterećenja na sistemu za oslanjanje i unositi u računar ove informacije svakog milisekunda. Nedostatak ovih sistema, kao uostalom i današnjih sistema aktivnog oslanjanja, je kvalitet izvršnog organa - aktuatora. Ograničenja u pogledu performansi sistema oslanjanja su, uglavnom, rezultat nemogućnosti izvršenja zadatih signala od strane aktuatora. Postoje tri senzora na svakom uglu Lotusovog vozila sa aktivnim oslanjanjem: - senzor ubrzanja na glavčini točka, - senzor opterećenja između aktuatora i karoserije, i - senzor položaja unutar aktuatora. Takođe, senzor ubrzanja i senzor obrtanja oko vertikalne ose su montirani blizu težišta vozila. Ostali senzori mere bočna ubrzanja, ugao točka upravljača, brzinu vozila i pritisak u hidrauličkom sistemu. Jednostavno, sistem radi pomoću snimanja i upravljanja opterećenjem na svakom aktuatoru. Kompjuter je programiran sa svim relevantnim informacijama o vozilu i može prema tome računiti teorijska opterećenja na svakom uglu vozila u bilo kojoj situaciji u vožnji. On, takođe, poznaje idealnu visinu vozila u vožnji, a može je pratiti pomoću aktuatora. Kada pneumatik naleti na prepreku, sistem odmah oseća promene u opterećenju. Tlo deluje na pneumatik, koji pak deluje na aktuator, a ovaj potom aktivira senzor opterećenja. Kako je sada vrednost koju uočava senzor veća od normalne, kompjuter "shvata" da je vozilo naišlo na prepreku i daje komandu aktuatoru da izvrši kompresiju i podigne točak. Točak može biti podignut od strane sistema tačno onoliko koliko je potrebno da bi se održavalo približno konstantno opterećenje u aktuatoru. Kada pneumatik dođe do vrha prepreke, senzor uočava smanjeno opterećenje i aktuator biva gurnut unazad sledeći konturu prepreke.

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

14

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

Ovaj Lotusov sistem se zove i Metoda odziva na prepreke. On ima nekoliko prednosti u odnosu na klasični sistem oslanjanja. Aktuator može podići točak bez povećavanja vertikalnog opterećenja na karoseriji vozila, zbog toga što, umesto da prepreka gurne točak na gore, njega na gore povlači spoljašnja energija, te stoga kretanje točka ne mora biti praćeno kretanjem karoserije. Sem toga, aktuatori u aktivnom sistemu oslanjanja nemaju tendenciju oscilovanja pošto nikakva energija nije akumulirana u njima, a kako jedno vozilo sa aktivnim oslanjanjem nema prigušivače, njegovi točkovi se mogu kretati mnogo slobodnije nego što je slučaj kod vozila sa klasičnim oslanjanjem. Ovakav princip rada omogućava mnogo mirniju vožnju. Sistem, o kome je reč, je već bio dovoljno razvijen do 1983. godine, da bi se omogućilo Lotus modelu sa aktivnim oslanjanjem da se takmiči na Grand Prix takmičenjima. Nažalost, bio je suviše težak da bi se poboljšale performanse vozila. Lotus je razvio lakšu verziju 1986. godine i koristio je tokom Grand Prix sezone 1987., kada je postigao prvu pobedu, sa vozilom koje je imalo aktivno oslanjanje, na trci u Monaku. Već u ovoj fazi razvoja sistema aktivnog oslanjanja postignut je značajan napredak, kada govorimo o održavanju karoserije u relativno konstantnom položaju tokom kretanja vozila. Iako Lotusov model sa aktivnim oslanjanjem ima mnogo prednosti, on takođe ima i nekoliko mana, kao što je buka, koja je rezultat hidrauličkog sistema. Takođe, snaga koja je potrebna je minimum oko 3 kW, zbog konstantnih malih pokreta sistema za oslanjanje i gubitaka usled curenja fluida unutar sistema. "Tvrda" vožnja preko malih oštrih prepreka i dalje predstavlja problem. Aktivno oslanjanje nije bolje rešenje u odnosu na klasično kada se radi o prigušivanju ovih promena. Pneumatski sistemi oslanjanja sa povratnom spregom, kontrolisani preko servoventila, su dosta proučavani i ispitivani. Sistem se sastoji od senzora brzine i pomeranja, pneumatskog aktuatora i servo-ventila koji kontroliše protok vazduha, što je šematski prikazano na Slici 8.

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

15

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

S.B. Električna energija

Pojačavač sa servokontrolom

Komandni signal

S.P.

Kontrolna zapremina

X1 Oslonjena masa

Izduvni pritisak

Trostruki servo-ventil S.B.

Pneumatski Pq izolator Aq Vq

Paralelni restriktor

Neoslonjena masa

X2

Rezervoar

Dovodni pritisak

S.P. Pneumatik

S.B. = Senzor brzine S.P. = Senzor pomeranja

Z

Slika 8. Pneumatski sistem aktivnog oslanjanja

3.2.

SISTEM ZA OSLANJANJE I PROFIL TLA

Da bismo u potpunosti definisali sistem za oslanjanje, neophodno je da uzmemo u obzir i profil tla. Postoji više izvora koji mogu izazvati vibracije vozila. Ovi izvori se generalno dele na dve kategorije: - neravnine tla, i - izvori na samom vozilu; izvori na samom vozilu proističu, uglavnom, od rotacionih komponenti i oni uključuju: sklopove pneumatik/točak, sistem za prenos snage i pogonski agregat. Neravnine tla obuhvataju sve, počevši od ulegnuća koja su rezultat lokalnih nedostataka podloge do sve prisutnih slučajnih devijacija koje odražavaju praktična ograničenja u okviru preciznosti do koje se površina po kojoj se vozilo kreće može napraviti i održavati. Neravnine su opisane pomoću promena profila tla duž trajektorije točka po kojoj se kreće vozilo. Profili tla odgovaraju opštoj kategoriji "slučajnih signala širokog opsega" i, stoga se mogu opisati ili uz pomoć samog profila ili uz pomoć statističkih obeležja. Jedan od najkorisnijih načina predstavljanja profila tla je funkcija spektralne gustine sile (PSD - Power Spectral Density).

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

16

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

Kao svaki slučajni signal, promene profila tla merene preko dužine puta, možemo rastaviti uz pomoć Furijeovih transformacija u serije sinusoidnih talasa, koji variraju u svojim amplitudama i relacijama između faza. Dijagram amplituda prema prostornoj frekvenciji je PSD. Prostorna frekvencija se izražava kao broj talasa po jedinici dužine (ciklusa/m), i ona je inverzna dužini sinusoidnog talasa na kome se bazira. Radi razumevanja dinamike vožnje, neravnine tla treba posmatrati kao ulazno ubrzanje u odnosu na točkove, u kom slučaju se stvara mnogo drugačija slika. Posmatranjem neravnina podloge kao ulaznog ubrzanja, odmah se može videti osnovni efekat brzine kretanja vozila. Pri svakoj datoj vremenskoj frekvenciji amplituda ulaznog ubrzanja će se povećati sa kvadratom brzine. Koeficijent amplitude ubrzanja sadrži kvadrat brzine. Za modeliranje sistema aktivnog oslanjanja u ovom primeru nije korišćen sinusoidni profil tla, već jedinična odskočna funkcija. Ovo iz razloga što se slučajna odskočna funkcija smatra mnogo kritičnijom za sistem oslanjanja. Model, koji uključuje odizanje pneumatika, stvara mogućnost realne simulacije neravnina tla i brzine vozila, pri kojoj se očekuje gubitak kontakta pneumatika sa tlom. Ovo odizanje igra naročito važnu ulogu kada sistem dimenzionišemo na osnovu sinusoidnog profila tla, jer bez uzimanja u obzir odizanja točka, sa ovim profilom, ne dobijamo realne rezultate. Pomeranje ose modela pneumatika, bez uzimanja u obzir odizanja pneumatika, je veće nego kod modela sa odizanjem pneumatika. 3.3.

FUNKCIJE AKTIVNE KONTROLE

Interesovanje za aktivne i polu-aktivne sisteme oslanjanja proizilazi iz ogromnih mogućnosti u pravcu poboljšanja performansi vozila, a koje pružaju ovi sistemi. Funkcije aktivne kontrole, kojima možemo poboljšati performanse sistema oslanjanja i vozila u celini, su: A) KONTROLA KRETANJA VOZILA - Pod njom se podrazumeva održavanje niske vrednosti frekvencije vibracija oslonjenih masa, na nivou do 5 Hz. Poboljšanje performansi pomoću ove kontrole se može postići na nekoliko načina. Sistem može direktno osetiti i kontrolisati promene ugaone komponente vibracija oslonjenih masa karoserije oko y-ose (galopiranje) i promene translatorne komponente vibracija oslonjenih masa oko z-ose (vijuganje). Poboljšanje se takođe postiže indirektno kada je aktivna kontrola primenjena na neki od narednih oblika kontrole (B-F). Svojstvo sistema oslanjanja da optimizira vibracije oslonjenih masa uvek smanjuje performanse u drugim oblicima, i tako nas prisiljava na kompromis u dizajnu. Sa aktivnim oslanjanjem, međutim, kontrola može biti primenjena samo tokom manevrisanja, i ova vrsta kontrole ne zahteva postojanje kompromisa tokom ostalih načina kretanja vozila. Specifično, sistemi oslanjanja mogu biti podešeni

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

17

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

za optimalne performanse u pogledu kontrole frekvencije vibracija tokom ujednačene, pravolinijske vožnje, i mogu se postići svojstva superiorna u odnosu na ona postignuta samo pasivnim elementima, i sve to bez kompromisa u karakteristikama upravljanja. B) KONTROLA VISINE VOZILA - Automatska kontrola visine vozila daje nekoliko prednosti u performansama. Podešavanjem visine na konstantnu, uprkos promenama u opterećenju i aerodinamičkim silama, sistem za oslanjanje može uvek funkcionisati na toj podešenoj visini, obezbeđujući maksimalno dejstvo pri svim novim udarima, i eliminišući promene u načinu funkcionisanja koje bi proistekle iz dejstva na nekoj drugoj visini, osim one koja je podešena. Ova kontrola visine nam omogućava da možemo «spustiti» vozilo radi smanjenog otpora pri velikim brzinama, ili izmeniti ugaonu komponentu vibracija oslonjenih masa oko y-ose da bi se modifikovala aerodinamičnost. Vozilo se, takođe, može podići zbog povećanja klirensa i hoda sistema za oslanjanje na neravnom tlu. Povećanje visine takođe može biti pogodno zbog promene pneumatika, kao i da bi se obezbedio prostor za montažu lanaca na pneumaticima u zimskim uslovima. C) KONTROLA NJIHANJA - Obezbeđuje kontrolu ugaone komponente vibracija oslonjenih masa oko podužne x-ose. Pri zakretanju vozila ova funkcija se poboljšava povećanjem prigušenja ili delovanjem suprotnih sila u sistemu za oslanjanje, tokom zakretanja. Brzina vozila, ugao upravljanja, stepen korisnog dejstva sistema za upravljanje i/ili bočno ubrzanje može biti koristan podatak da nam ukaže kada je ovaj vid kontrole adekvatan. Korišćenjem aktivnih komponenti za generisanje sile moguće je u potpunosti eliminisati njihanje prilikom zakretanja. Time eliminišemo iz sistema za oslanjanja svaki efekat proklizavanja i zanošenja u krivini, koji je izazvan ovim vibracijama. Pored toga, moment koji stvaraju vibracije oslonjenih masa oko x-ose može biti selektivno primenjen na ili prednju ili zadnju osovinu, da bi promenio stepen proklizavanja pomoću promene u krutosti zakretanja, zbog bočnog prenošenja opterećenja. D) KONTROLA GALOPIRANJA PRI KOČENJU - Pruža mogućnost kontrole ugaone komponente vibracija oslonjenih masa oko y-ose prilikom njihovog kretanja unapred, tokom zaustavljanja vozila. Ova funkcija se ostvaruje povećanjem prigušenja ili delovanjem sila u sistemu oslanjanja suprotnih ovom kretanju. Kontrola može biti aktivirana pomoću signala kočnice, pritiska u sistemu za kočenje i/ili podužnog ubrzanja. Kontrola ove komponente kod aktivnog oslanjanja smanjuje potrebu za konstruisanjem takve geometrije u sistemu vođica koja bi sprečavala gore pomenuto kretanje. E) KONTROLA GALOPIRANJA PRI UBRZAVANJU - Obezbeđuje kontrolu ugaone komponente vibracija oslonjenih masa oko y-ose, prilikom ubrzavanja vozila. Kontrola ove komponente tokom ubrzanja može biti poboljšana povećanjem prigušenja ili delovanjem sila u sistemu oslanjanja suprotnih ovom pomeranju. Kontrola može biti aktivirana pomoću nekoliko senzora: položaj leptira na karburatoru, izbor stepena prenosa i/ili podužno ubrzanje. Njena

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

18

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

primena kod sistema aktivnog oslanjanja smanjuje potrebu za konstruisanjem takve geometrije u sistemu vođica pogonskih točkova koja bi sprečavala pomeranje o kome govorimo, a kod nepogonskih točkova omogućuje savladavanje i sile odizanja točkova. F) KONTROLA PRIANJANJA - Kao dodatak kontroli kretanja karoserije tokom manevrisanja u prethodno opisanim slučajevima, aktivno oslanjanje ima mogućnost da poboljša "držanje" puta smanjenjem dinamičkih promena opterećenja točkova, čiji su uzrok neravnine tla. Generalno, performanse zakretanja se poboljšavaju kada se smanjuju varijacije dinamičkih opterećenja. Oštećenja tla koja uzrokuju motorna vozila, posebno teški kamioni, se takođe smanjuju minimiziranjem dinamičkih opterećenja točka. 3.4.

KOMPARATIVNE PREDNOSTI AKTIVNOG SISTEMA ZA OSLANJANJE

Uopšteno, polu-aktivni i aktivni sistemi oslanjanja imaju takve performanse da mogu da ostvare optimalne vrednosti kontrolnih funkcija A-F, ali sa određenim problemima, koji se javljaju u pogledu mase, troškova, kompleksnosti i pouzdanosti sistema za oslanjanje. Otuda postoji izazov za konstruktore motornih vozila da ostvare prednosti aktivne kontrole sa minimalnim brojem komponenti. U Tabeli 1 su date relativne performanse koje možemo postići sa svakim nivoom sofistikacije konstrukcije. Tabela 1. Potencijal performansi različitih tipova sistema oslanjanja

Funkcije aktivne kontrole Tip oslanjanja Pasivno

A

B

C

D

E

F

Performanse su kompromis između svih funkcija

Sa samoravnanjem

Visoka

Visoka

-

-

-

-

Polu-aktivno

Srednja

-

Niska

Niska

Niska

Srednja

Aktivno

Visoka

Visoka

Visoka

Visoka

Visoka

Visoka

Kod polu-aktivnih sistemima, čak i kod sporo-aktivnih, imamo poboljšanje u pogledu performansi za funkcije kontrole C, D i E, zajedno sa obaveznim poboljšanjem funkcija A i F. Sistem sa promenljivom krutošću može osigurati slične prednosti, iako sa većim troškovima zbog potrebe korišćenja pneumatskih oslonaca ili prilagodljivih mehaničkih opruga. Sa polu-aktivnim sistemima sa niskofrekventnim opsegom može se postići još pouzdaniji sistem u pogledu kontrole krutosti i prigušenja. Kontrola sistema sa nisko-frekventnim opsegom je uspešna u pogledu održavanja konstantnog opterećenja točka koje je korisno za poboljšanje upravljivosti, ali postoji samo mala dodatna korist u pogledu funkcije A, koju ova kontrola daje. Samo sa potpuno aktivnim sistemom možemo postići najširi opseg poboljšanja svih oblika performansi.

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

19

Katedra za motorna vozila

2

Vertikalno ubrzanje (m/s )

Mehatronika na vozilu

Ugaono ubrzanje oko y-ose (rad/s2)

Frekvencija (Hz)

Ugaono ubrzanje oko x-ose (rad/s2)

Frekvencija (Hz)

Frekvencija (Hz)

Slika 9. Uporedni prikaz načina reagovanja pasivnih i aktivnih sistema za oslanjanje

Performanse aktivnog sistema, koje su optimalne za funkciju A, su u suprotnosti sa istim pri pasivnom oslanjanju, najpre po mnogo boljoj kontroli vertikalnog pomeranja, kao i ugaonih pomeranja oko x-ose i y-ose, a na rezonantnim frekvencijama oslonjeniih masa. Slika 9 poredi način reagovanja pasivnih i aktivnih sistema oslanjanja za ova tri oblika kretanja. Dok pasivni sistem pokazuje rezonancu oslonjenih masa blizu 1 Hz za sva tri kretanja, sa aktivnim sistemom se javlja mnogo manji odziv. U stvari, kretanje oslonjenih masa u sva tri pravca (koje se meri akcelerometrom) može biti skoro potpuno prigušeno kontrolnim silama koje razvija aktivni sistem oslanjanja vozila. Sa kontrolnim karakteristikama optimiziranim u odnosu na kontrolnu funkciju A, ne postoje značajne promene u reakciji rezonantne frekvencije neoslonjenih masa, koja je oko 10 Hz. Ovo je objašnjeno činjenicom da, da bi sistem za oslanjanje ispoljio kontrolne sile koja će smanjiti kretanje neoslonjenih masa, ove sile moraju delovati suprotno dejstvu oslonjenih masa, i tako povećati vibracije prilikom vožnje. Na karakteristike upravljanja utiče odziv sistema pri odskočnoj frekvenciji točkova, jer je ono povezano sa različitim varijacijama opterećenja na točkovima. Pošto su performanse aktivnog i pasivnog sistema za oslanjanje identične u ovoj oblasti, realizuju se samo male prednosti u pogledu upravljivosti. Da bi poboljšali upravljanje, konstrukcija kontrolnog sistema treba da bude promenjena da bi umanjili reakciju točka (skok), mada se neki nedostaci prilikom vožnje moraju očekivati. Kada govorimo o parametrima sistema za oslanjanje, konstruktor je slobodan da izabere jedino vrednosti krutosti i faktora prigušenja ξs. Uticaj ovih parametara je

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

20

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

prikazan na Slici 10, odnosom vertikalnog ubrzanja oslonjenih masa prema hodu sistema oslanjanja za različite vrednosti krutosti i prigušenja. Odnosi koeficijenata krutosti prikazani na slici su tipični za većinu putničkih vozila, pri čemu je rk=ku/ks. Vrednost rk=5 reprezentuje sportska vozila. Vrednost rk=20 odgovara najluksuznijim vozilima. Za bilo koju datu vrednost krutosti vertikalno ubrzanje varira sa prigušenjem i ima optimalan nivo (tačka najnižeg vertikalnog ubrzanja). Visok nivo prigušenja smanjuje hod sistema oslanjanja, ali po cenu povećanog ubrzanja (jača sila prigušenja prenosi više ulaznih veličina od strane tla, preko sistema za oslanjanje, na oslonjene mase). Niži nivoi prigušenja dozvoljavaju veći hod sistema oslanjanja, ali takođe povećavaju ubrzanje zbog nekontrolisanog kretanja pri rezonantnoj frekvenciji oslonjenih masa. U praksi nije moguće koristiti ceo opseg performansi prikazan na Slici 10. Posebno niski nivoi prigušenja koriste hod oslanjanja koji je ispod prihvatljivog opsega za većinu putničkih vozila, a nisko prigušenje je nedovoljno da kontroliše odskočne oscilacije točka koje utiču na prianjanje. Osenčena površina na Slici 10 pokazuje opseg performansi koji se u praksi može koristiti za sistem pasivnog oslanjanja.

Vertikalno ubrzanje oslonjenih masa (m/s2)

Kao što je rečeno, model aktivnog sistema za oslanjanje razlikuje se u odnosu na pasivni model po prisustvu generatora sile, umesto opruge i prigušivača. Generator sile odgovara hidrauličkom ili nekom drugom cilindru, kontrolisanom pomoću elektronskog sistema. Elektronski sistem (sistem senzora) može osetiti ubrzanje oslonjenih i neoslonjenih masa, kretanje sistema oslanjanja i promenu prečnika pneumatika (ili opterećenja), i varirati silu linearno u proporciji sa bilo kojom kombinacijom promenljivih vrednosti ovih stanja.

Opseg korišćenja

Aktivno oslanjanje

Hod sistema za oslanjanje (cm)

Slika 10. Odnos ubrzanja i hoda aktivnog sistema za oslanjanje

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

21

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

Optimalni kontrolni algoritam za aktivno oslanjanje može biti određen analitički. Optimizacija u pravcu smanjenja vertikalnog ubrzanja i hoda sistema oslanjanja rezultuje performansom prikazanom pomoću krive 1 na Slici 10. Za bilo koju datu granicu hoda sistema oslanjanja, aktivni sistem uvek rezultuje boljim performansama u odnosu na pasivni. Na gornjoj granici prihvatljivog opsega (definisanog osenčenom površinom) za pasivno oslanjanje, moguće je poboljšanje vibracija oslonjenih masa, u smislu niže frekvencije, uz pomoć aktivnog oslanjanja, čemu odgovara smanjenje ubrzanja od 30%. Optimizacija u cilju dobijanja niže frekvencije vibracija oslonjenih masa (predstavljena krivom 1) ne može se postići, kada je poredimo u odnosu na optimalnu za idealno prianjanje, jer je nedovoljno prigušenje odskočne frekvencije točka. Smanjenje vertikalnog ubrzanja za 30% je postignuto na štetu prigušenja neoslonjenih masa, koje je samo oko 5%. Ako smo optimizacijom ograničeni na mnogo umereniji stepen prigušenja neoslonjenih masa (20%), najbolje performanse za aktivno oslanjanje se postižu vrednostima koje su predstavljene krivom 2. Sa ovim ograničenim poboljšanjem, frekvencije vibracija oslonjenih masa za aktivno oslanjanje, u odnosu na najbolje pasivno, su smanjene samo za oko 10%. Vrednost ubrzanja prednjeg dela karoserije pod dejstvom idealnog sistema aktivnog oslanjanja jednaka je približno jednoj trećini od iste te vrednosti kod pasivnog sistema za oslanjanje. Za četvrtinski model vozila se dobija približno isti odnos napred pomenutih veličina. Znači, manja vrednost ubrzanja povlači bolji kvalitet vožnje. Ovi rezultati se dobijaju za sinusoidni profil tla, dok je za slučajan profil situacija nešto drugačija. Aktivno oslanjanje je zadržalo trajektoriju pneumatika kao kod pasivnog oslanjanja. Dalje, aktivno oslanjanje značajno smanjuje pomeranje težišta vozila pri prelasku preko slučajnog profila tla. Koren srednjeg kvadratnog ubrzanja prednjeg dela karoserije vozila sa pasivnim i aktivnim oslanjanjem pri kretanju preko šest različitih slučajnih profila tla je prikazan na Slici 11. Ova slika pokazuje da aktivno oslanjanje konstantno obezbeđuje bolji kvalitet vožnje u odnosu na pasivno oslanjanje.

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

22

Katedra za motorna vozila

2

Koren srednjeg kvadratnog ubrzanja (m/s )

Mehatronika na vozilu

Profil tla

Slika 11. Koren srednjeg kvadratnog ubrzanja pasivnog i aktivnog sistema oslanjanja

Procenat

Slika 12 pokazuje procenat smanjenja korena srednjeg kvadratnog ubrzanja koji se postiže sa aktivnim oslanjanjem. Opseg smanjenja je od 10% do 19%. Iako smanjenje nije tako veliko kao ono od 43%, koje imamo kod sinusoidnog profila tla, simulacije pokazuju da prednosti aktivnog oslanjanja rastu kako profil postaje neravniji.

Profil tla

Slika 12. Procenat smanjenja korena srednjeg kvadratnog ubrzanja

Još jedna važna prednost aktivnog sistema za oslanjanje je to što senzori omogućavaju kompjuteru da napravi razliku između kretanja točka i karoserije. Nakon što je napravio razliku među ovim kretanjima, svako od njih može pojedinačno kontrolisati. Kada vozilo ubrzava ili usporava u bilo kom pravcu, raspodela vertikalnog opterećenja na sistem za oslanjanje se menja. Tokom ubrzavanja unapred, preraspodela opterećenja uzrokuje istezanje prednjih i sabijanje zadnjih opruga, to jest dolazi do podizanja prednjeg dela vozila. Kočenje ima suprotan efekat. Zakretanje dovodi do istih posledica, s tim što dolazi do njihanja vozila. Kod vozila sa aktivnim oslanjanjem, ova ubrzanja su "uočena" od

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

23

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

strane poprečnih i podužnih merača ubrzanja. Kombinujući ovu informaciju sa osnovnim statističkim podacima o vozilu, kompjuter proračunava preraspodelu opterećenja koja se dešava na svakom uglu vozila iz momenta u momenat, i kontinuirano poredi ove rezultate sa stvarnim opterećenjima koja uočavaju senzori. Ako se vrednosti poklapaju sistem ništa ne radi, ali ako poklapanja nema, sistem "zna" da jedan ili više pneumatika naleću na prepreke ili upadaju u rupe, i u skladu sa tim, podešava adekvatne aktuatore. Ova podešavanja mogu u velikom stepenu uticati na upravljivost vozila. Kompjuter može biti programiran tako da dozvoljava njihanje karoserije prilikom zakretanja u malom stepenu, da potpuno eliminiše njihanje ili čak dozvoli ovo njihanje u većoj meri prilikom zakretanja vozila. Kompjuter takođe može izmeniti upravljivost vozila promenom raspodele opterećenja na pneumaticima. Kada vozilo skreće uvek se dešava prebacivanje opterećenja sa unutrašnjih na spoljne pneumatike. Međutim kod sistema aktivnog oslanjanja raspodela opterećenja može biti izmenjena. Zbog toga što je kod vozila sa aktivnim sistemom za oslanjanje smanjeno njihanje, sva četiri točka ostvaruju mnogo bolji kontakt sa tlom nego što je to u slučaju pasivnog sistema. Rezultat ovoga je da se "kvalitet" kontakta (kontaktna površina) povećao za 30%. Ovim se, pak, poboljšava prianjanje i stabilnost, čime je povećana bezbednost. Upravljivost je takođe poboljšana, smanjeno je habanje pneumatika, a komfor putnika je primetno transformisan na bolje. Moguće je savladati krivinu sa mnogo većom brzinom nego u slučaju sa vozilom koje ima pasivno oslanjanje. Ova pojava je islustrovana na Slici 13, na primeru vozila Citroen Xantia Activa.

Slika 13. Zakretanje kod vozila sa pasivnim (levo) i aktivnim (desno) sistemom oslanjanja

Dalje, opterećenje se može u potpunosti preneti na prednji deo (za maksimum podupravljivosti), na zadnji deo (za maksimum nadupravljivosti) ili negde između. Ovo rešenje aktivnog sistema oslanjanja je pandan stabilizatorima kod pasivnog sistema oslanjanja, s tim što ta promena u slučaju aktivnog sistema oslanjanja može biti momentalna; brzina je jedan od podataka koji se ubacuje u kompjuter tako da sistem može biti programiran da proizvede neutralnu upravljivost pri malim

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

24

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

brzinama i postepeno povećanje podupravljivosti pri većim brzinama, radi poboljšanja stabilnosti. Razvoj hardvera sistema aktivnog oslanjanja je bio samo jedan deo izazova, dok je određivanje procedure kako on treba da se ponaša drugi njegov deo. Jedno vozilo će imati najbolje ponašanje tokom vožnje ukoliko je njegov sistem programiran da ga održava u savršeno ravnom položaju, jednostavnim podizanjem ili spuštanjem točka ako je ovaj naleteo na prepreku ili upao u rupu, i praćenjem konture prepreke ili rupe. Ako je jedan točak naleteo na prepreku koja je viša od vertikalnog hoda aktuatora, sistem za oslanjanje će se odmah spustiti. Stoga jedan dobro projektovan sistem mora biti programiran tako da omogućava vozilu da se podigne iznad neke visoke prepreke.

3.4.1. UTICAJ VIBRACIJA OSLONJENE MASE NA PERFORMANSE VOZILA Kao što je već rečeno, jedan od osnovnih ciljeva razvoja sistema aktivnog oslanjanja je projektovanje hardvera sistema koji je sposoban da kontroliše položaj oslonjenih masa, i to korišćenjem veoma male količine energije. Činjenica da njihanje i galopiranje ima najveći uticaj na upravljivost vozila u celini je razlog zašto se najveća pažnja poklanja postizanju odgovarajuće kontrole ovih kretanja. Normalno, "meko" oslanjanje koje obezbeđuje dobru izolaciju od neravnina tla, takođe dozvoljava značajna njihanja karoserije tokom zakretanja, što je nepoželjno sa stanovišta dobre upravljivosti. Ako imamo sistem kontrole položaja karoserije na vozilu, znatno je lakše ostvariti kompromis između dobre upravljivosti (visoka krutost opruga i jako prigušenje) i dobrog komfora vožnje (niska krutost i slabo, meko prigušenje). Ova pojava dozvoljava projektantu sistema za oslanjanje da više istakne faktor komfora vožnje u odnosu na faktor prianjanja (promene opterećenja u kontaktu pneumatik-tlo). Smanjenje uticaja njihanja i galopiranja oslonjenih masa, koje je izazvano silama kočenja, ubrzanja ili zakretanja, ima nekoliko prednosti kada govorimo o komforu vožnje, upravljivosti i aktivnoj bezbednosti vozila: ∗ Ako se karoserija vozila ne naginje tokom zakretanja, vozač nije vizuelno oštećen, što se javlja kod vozila čija je karoserija izložena naginjanju. ∗ Eliminacija naginjanja (ili valjanja) karoserije garantuje mnogo stabilniju poziciju vozača i stoga bolju kontrolu vožnje (time i bezbednost). Ova pojava je prikazana na Slici 14 pomoću intenziteta bočne sile Kpe i normalne sile Fzpe koje vozač oseća. Osećanje bočne sile i odgovarajuće normalne sile pri nagnutoj karoseriji se povećava i respektivno smanjuje pomoću komponente gravitacione sile Fzp koja deluje na telo vozača.

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

25

Mehatronika na vozilu

Katedra za motorna vozila

Slika 14. Ponašanje vozila prilikom zakretanja (bez sistema aktivnog oslanjanja i sa njim)

∗ Stabilizatori se mogu izostaviti, što dovodi do dodatnog poboljšanja kvaliteta vožnje kada je vozilo izloženo asimetričnim pobudama od strane podloge. ∗ Upravljivost i aktivna bezbednost se mogu usavršiti, jer položaj točkova u odnosu na tlo je blizu optimalnog kod vozila sa sistemom aktivnog oslanjanja, naročito sa aspekta sile proklizavanja pneumatika. Primer takvog efekta, koji čvrsto zavisi od geometrije sistema oslanjanja, je dat na Slici 14 pomoću promene geometrije točka (ugao nagiba točka γ kod vozila bez aktivnog sistema oslanjanja). ∗ Može uticati povoljno na upravljivost, pomoću sposobnosti da kontroliše prenos opterećenja između prednje i zadnje osovine. Ovo je moguće zbog slobode raspodele četiri kompenzujuće sile koje su neophodne da drže karoseriju vozila u ravnoteži između prednjeg i zadnjeg sistema oslanjanja. Položaj kontrolnog algoritma može biti projektovan, korišćenjem ove osobine, na takav način da su čak obezbeđene i granične performanse sa stanovišta upravljivosti. Ovim se podiže nivo sposobnosti manevrisanja vozilom od strane vozača i smanjuje neželjeno ponašanje vozila (blokiranje kočnica, nadupravljivost), koje se javlja u kritičnim situacijama. ∗ U suprotnosti sa onim što većina ljudi želi da veruje, izostanak naginjanja karoserije daje vozaču bolju i precizniju informaciju o stanju vozila tokom zakretanja. Bočne sile koje deluju na pneumatike obezbeđuju direktne pokazatelje za uslove prianjanja i, na taj način, granične zakretljivosti vozila. Osim toga, kod vozila sa sistemom aktivnog oslanjanja povratna sprega preko točka upravljača - volana je mnogo bolja i neposrednija. Kod vozila sa pasivnim oslanjanjem prvo karoserija počinje da se njiše, onda vozilo počinje da vijuga i na kraju se povećava bočno ubrzanje. Ovo znači da je povratna sprega preko točka upravljača ne samo manja (zbog ugla nagiba između spone i zupčaste letve, u slučaju upravljačkog mehanizma sa zupčastom letvom), već i da vremenski kasni. Ovaj aspekt ima snažan uticaj na položaj upravljačkog mehanizma sa zupčastom letvom kod vozila sa pasivnim oslanjanjem.

Dr Vladimir Popović, dipl. inž. maš.

26