VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING SYSTÉMY AKTIVNÍCH PODVOZKŮ ACTIVE SYSTEMS OF CAR CHASSIS BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR THESIS AUTOR PRÁCE ADAM PILČÍK AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE ING. LUBOR ZHÁŇAL SUPERVISOR BRNO

2 2

3 3

4 Anotace Tato práce vypracovává základní přehled a historický vývoj aktivních podvozků. Soustředí se na moderní koncepce a snaží se zhodnotit pozitiva a negativa jednotlivých řešení. Annotation This work elaboration basic survey and historical development active systems pf car chassis. Focus on modern conception and try valorize positive and negative single solving. Focus on modern conception and try valorize print and negative single solving. Klíčová slova Tlumič, odpružení, podvozek, řídicí jednotka, zavěšení kola, pružina, semiaktivní odpružení, aktivní odpružení, senzor. Key words Damper, suspension, car chassis, control unit, wheel suspension, spring, semiactive suspension, active suspension, sensor. 4

5 Bibliografická citace mé práce: PILČÍK, A. Systémy aktivních podvozků. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Lubor Zháňal. 5

6 Čestné prohlášení o původnosti práce Čestně prohlašuji, že bakalářskou práci na téma Systémy aktivních podvozků jsem vypracoval samostatně pod vedením svého vedoucího a s použitím odborné literatury, kterou jsem všechnu citoval v seznamu literatury. V Brně dne

7 OBSAH 1 HISTORIE ZÁKLADNÍ POJMY OBECNÉ ZÁKLADNÍ POJMY Druhy tlumičů AKTIVNÍ PODVOZEK ROZDĚLENÍ SYSTÉMŮ ODPRUŽENÍ Aktivní systémy odpružení SYSTÉMY AKTIVNÍHO ŘÍZENÍ PODVOZU Přehled nejrozšířenějších systémů řízení odpružení FUNKCE JEDNOTLIVÝCH SYSTÉMŮ SYSTÉM HYDRACTIVE III Princip činnosti Funkce hydropneumatické řídicí jednotky SYSTÉM HYDRACTIVE III PLUS Pozitiva Negativa SYSTÉM ABC (Active Body Control) Funkce Další funkce Senzory Pozitiva Negativa SYSTÉM SKYHOOK Systém IDS plus (Interactive driving systém) Funkce CDC tlumič Pozitiva Negativa SYSTÉM AUDI MAGNETIC RIDE Funkce Funkce magnetoreologického tlumiče Pozitiva Negativa BOSE SUSPENSION SYSTÉM Funkce Pozitiva Negativa

8 Úvod Od vynálezu prvního automobilu lidé požadují maximálního bezpečí a pohodlí při jízdě automobilem. Bezpečím se ovšem nemyslí jen bezpečnost posádky, ale i bezpečnost ostatních účastníků silničního provozu. Na bezpečnost silničního provozu má vliv velmi mnoho různých faktorů. Jedním z nich je např. přilnavost pneumatik k vozovce, díky které se může automobil rozjíždět, brzdit nebo měnit směr pohybu. K tomu aby byly pneumatiky ve stálém kontaktu s vozovkou, slouží odpružení vozidla. To se skládá ze dvou hlavních složek, pružiny a tlumiče. Pružina slouží k pohlcení rázů např. od nerovnosti vozovky. Kdyby měl automobil jen samostatné pružiny, rozkmital by se po přejetí nerovnosti a posádka by měla pocit jako by plula na lodi. K tomuto účelu slouží tlumiče, které mají za úkol utlumit vibrace. V této práci bude pojednáváno o systémech řízení aktivního podvozku. Tyto systémy se snaží najít optimální nastavení tlumičů, tak aby posádka uvnitř automobilu po přejetí nerovnosti nepoznala, že přes nějakou právě přejela. Řízení se u těchto systémů provádí elektronicky v závislosti na chování automobilu a stavu vozovky. Systémy řízení aktivního podvozku jsou relativní novinkou vývoj jde stále kupředu. V této práci bude vypracován základní přehled nejrozšířenějších systémů. Dále zde budou popsány konstrukčně nejzajímavější systémy. 8

9 1 HISTORIE V roce 1769 Francouz Nicolas Joseph Cugnot postavil první funkční prototyp automobilu. Byla to tříkolka poháněná parním strojem. Rám (podvozek) byl sestrojen ze dřeva. O tlumení a odpružení se staral jen materiál. Což díky dřevu bylo téměř nulové. Obr. 1.1 Otevřená dvoumístná tříkolka [18] V roce 1886 sestavil německý konstruktér Gottlieb Daimler první čtyřkolový motorový vůz. O pružení se staraly, po vzoru kočárů taženými koňmi, listové pružiny. Kočár byl sice odpružený, ale nebyl tlumený. To způsobovalo rozkmitání a nepříjemný pocit z jízdy po tehdejších ne příliš kvalitních cestách. Obr. 1.2 Čtyřkolový motorový vůz [19] Automobily se však velmi rychle vyvíjely kupředu, byly vynalézány pořád nové a nové způsoby odpružení. Začali se používat vinuté pružiny, hydraulické tlumiče, pneumatické tlumiče, atd. Prvním předchůdcem aktivního odpružení byl systém Hydractive 1, který vyvinula francouzská automobilka Citroën. Poprvé ho použila v roce 1956 u vozu Citroën DS 19 a to na zadní nápravě. Tento vůz předběhl dobu o téměř 20 let a položil tak základní kámen pro vývoj systémů řízení aktivního odpružení. Obr. 1.3 Citroen DS 19 [20] 9

10 V roce 1978 začíná německá automobilka sídlící ve Stuttgartu vyvíjet systém ABC (Active Body Control) a roku 1999 jej poprvé uvádí na trh na Ženevském autosalonu ve voze Mercedes-Benz CL Coupé. Tento vůz se okamžitě teší velkému zájmu coby vůz kategorie vyšší střední třídy. V březnu roku 2002 Stuttgatská automobilka tento systém vylepšuje. Princip činnosti zůstává více méně stejný bez ohledu na zatížení vozu. Největší změn se systém dočkal coby úspory hmotnosti a tím i zastavěného objemu ve voze. Obr Mercedes-Benz CL Cupé [21] V roce 2004 se na trhu objevuje první vůz nižší střední třídy automobilky Opel a to vůz Opel Astra. Je vybaven CDC tlumiči firmy ZF Sachs a systémem odpružení Skyhook. Systém se pomalu začínal dostávat do povědomí a dnes je již standardní výbavou u vozů vyšší střední třídy. Obr. 1.5 Opel Astra [22] 10

11 2 ZÁKLADNÍ POJMY 2.1 OBECNÉ ZÁKLADNÍ POJMY Podvozek Je část vozidla, která se skládá z podvěsů (přední, zadní), nápravy (řídicí a hnací), pérování, brzdového systému a kol. Tato část automobilu zásadním způsobem ovlivňuje jízdní vlastnosti automobilu. Náprava Přenáší tíhovou sílu karoserie, hnací, brzdné a setrvačné síly. Podle konstrukce můžeme nápravu rozdělit na: lichoběžníkovou, více prvkovou, McPherson, klikovou a další. Odpružení Slouží ke zmírnění rázů a otřesů karoserie od nerovností vozovky. Pomáhá snižovat namáhání rámu. Odpružení společně s tlumením má vliv na pohodlí jízdy, bezpečnost, stabilitu vozidla. Tlumení Plní funkci tlumení vlastních kmitů pružiny a tím zabraňují nadměrnému (svislému) rozkmitání karoserie. Jeho účelem je rovněž zajištění trvalého kontaktu pneumatiky a vozovky DRUHY TLUMIČŮ Třecí Tlumení je zajištěno vzájemným třením mezi vnitřním pláštěm tlumiče a pístem tlumiče. (jízdní kolo, Pionýr 21) Kapalinové Jedním nebo více ventily v pístu je protlačován olej z prostoru pod pístem do prostoru nad pístem. Mohou být provedeny pouze jako dvouplášťové. Plynokapalinové Změny vnitřního objemu pracovního prostoru tlumiče se vyrovnávají změnou objemu plynu pod plovoucím pístem. Princip činnosti je jinak stejný jako u kapalinového tlumiče. Mohou být jedno nebo dvouplášťové. Elektronicky ovládaný tlumič Uvnitř tlumiče je umístěno šoupátko nastavované elektromotorem ovládaným elektronickou řídicí jednotkou. Údaje pro el. řídicí jednotku přicházejí od snímačů sledujících automobil. (zrychlení kol, poloha řízení, zrychlení karoserie) 11

12 2.2 AKTIVNÍ PODVOZEK Aktivní podvozek Za aktivní podvozek považujeme takový typ podvozku, jehož tlumení a odpružení je řízeno elektronickým systémem. U tohoto typu podvozku se snažíme dosáhnout stavu kdy se nebude projevovat klopení a klonění vozidla. Např. při průjezdech zatáčkou, při brždění a akceleraci vozidla. S takovým typem podvozku lze dosáhnout vyšší bezpečnosti jízdy, vysokého jízdního komfortu. 2.3 ROZDĚLENÍ SYSTÉMŮ ODPRUŽENÍ Konvenční je odpružení, které využívá pasivní tlumič a pružinu. U toho to odpružení není možná změna charakteristiky odpružení během jízdy. Adaptivní (pomalé) popř. semiaktivní (rychlé) Systémy, které jsou doplňkem konvenčního odpružení. Jsou to pružící soustavy, které mají variabilní (proměnlivé) tlumení svislého kmitání. Variabilní účinek tlumičů může být nastavován manuálně nebo elektronicky. [1] U tohoto systému nelze měnit charakteristiku pružení. Aktivní pomalý systém je takový systém, kterým můžeme měnit charakteristiku tlumení a pružení. Pracuje v oblasti kmitání karoserie, což je oblast do 5 Hz. [2] Aktivní rychlý systém stejně jako aktivní pomalý systém může měnit charakteristiku tlumení i odpružení, avšak pracuje v oblasti do 25 Hz, což je oblast menší než vlastní frekvence nástavby. [2] Aktivní systémy odpružení klade větší požadavky na kinematiku podvozku, než je tomu např. u pasivního odpružení. Optimální kinematika je snadněji realizovatelná u lichoběžníkové nápravy než u ostatních typů náprav. Avšak existují i aktivní odpružení na nápravách typu McPherson (např. Volvo) 12

13 Rozdělení aktivních systémů odpružení Systém Lotus v tomto systému jsou zapojeny rychlé hydraulické válce. Je to systém s největší energetickou spotřebou. Jádrem jsou čtyři velmi rychle se přestavující hydraulické válce zásobené pomocnou energii, které jsou vždy přes jeden senzor zatížení kola spojené s karosérií. Senzor zásobuje regulační okruh a pokouší se udržet zatížení kola na statické hodnotě. [2] Systém Williams reguluje pohyb nástavby účelnou regulací oleje v hydropneumatickém pružícím systému. Systém Horvat reaguje na pohyby nástavby účelnou regulací tlaku vzduchu ve vzduchových pryžových válcích 13

14 3 SYSTÉMY AKTIVNÍHO ŘÍZENÍ PODVOZU V dnešní době již existuje velké množství systémů, které mohou řídit podvozek automobilu. V podstatě každá z dnešních automobilek používá určitý systém řízení podvozku. Ať už je to automobilka Citroën se svým vůbec prvním používaným systémem na světě Hydractive u proslulého vozu Citroën DC. Nebo vozy automobilky Toyota se systémem Toyota Electronically Modulated Suspension. Až po koncept firmy Bose a její použití lineárních elektromotorů. 3.1 Přehled nejrozšířenějších systémů řízení odpružení Hydractive I. Použití hydropneumatické řídicí jednotky na zadní nápravě, řídicí jednotky a vysokotlakého čerpadla. Hydractive II. Zdokonalený systém Hydractive I. Hydractive III. Použití hydropneumatické řídicí jednotky na obou nápravách, řídicí jednotky BHI (Bloc Hydroélectronique Intégré), vysokotlakého čerpadla. Hydractive IIIplus Zdokonalený systém Hydractive III přidáním dvou hydropneumatickych řídicích jednotek mezi kola na obou nápravách TEMS (Toyota electronically Modulated Suspension) Modulované odpružení, použití velkého množství snímačů (snímaní zrychlení, otáček, ) ABC (Active Body Control) Tento systém zahrnuje kompaktní pružící vzpěru s integrovaný pružícím a tlumicím systémem a hyraulicky regulovaný válec.[2] IDS (Interactive Driving Systém) Spojuje všechny systémy podvozku společně se systémy podporující řízení a brždění, které díky němu vzájemně spolupracují. ICM (Integrated Chassis Management) Používá elektronicky řízené tlumiče, ty řídí vysokorychlostní datová sběrnice FlexRay pomocí informací získaných z několika snímačů v automobilu. FourC (Continously Conrolled Chassis Koncept) Používá elektornicky řízený tlumič, každé kolo je řízeno samostatně pomocí vysokovýkonné řídicí jednotky, která vyhodnocuje data přijaté od několika snímačů umístěných po celém automobilu. AAS (Adaptive Air Suspension) Používá elektronicky řízené vzduchové tlumiče u všech čtyř kol. Systém se skládá s řídicí jednotky, která pomocí dat získaných ze senzorů zrychlení a polohy náprav ovládá 14

15 kompresor zabudovaný v motorovém prostoru a elektromagnetické ventily. Ty řídí množství vzduchu přivedeného do jednotlivých tlumičů. ADS (Adaptive Damping System) Celý ADS systém je vlastně řídicí jednotka, která pomocí informací získaných ze senzorů natočení volantu, zrychlení karoserie, polohy brzdového pedálu a otáček kol zpracovává a vypočítá optimální nastavení tlumení pro jednotlivé tlumiče u všech čtyř kol. Vyšle signál speciálním elektricky ovládaným ventilům, které přesně odpustí vzduch do pneumatických tlumičů. AIRmatic (Adaptive Inteligent Ridecontrol) Kombinuje pneumatické odpružení se systémem ADS. Celý systém se skládá ze speciálních vzduchových tlumičů, řídicí jednotky (ADS), senzorů a kompresoru. Systém automaticky přizpůsobuje tuhost tlumičů dle aktuálního stavu povrchu vozovky. PASM (Porsche Active Suspension Management) Systém se skládá z řídicí jednotky označené zkratkou PASM, které pomocí informací získaných ze senzorů zrychlení karoserie, natočení volantu, polohy plynového pedálu, Vyhodnocuje stav vozovky a charakter jízdy. Podle aktuální situace elektronicky nastaví tlumiče na jednotlivých kolech. MRC-Bose (Magnetic Ride Control) Systém se skládá z lineárních elektromotorů, trakčního akumulátoru, vysokovýkonných kondenzátorů Ultra-Caps, řídicí jednotky a soustavy senzorů monitorujících automobil. V této bakalářské práci se nebude psát o všech systémech řízení podvozku, ale budou zde popisovány jen konstrukčně nejzajímavější systémy. A to systémy Hydractive III, Hydractive III plus, systém ABC, systém Skyhook a systém MRC-Bose. 15

16 4 FUNKCE JEDNOTLIVÝCH SYSTÉMŮ 4.1 SYSTÉM HYDRACTIVE III Tento systém vynalezla automobilka Citroën, vyvinul se ze systémů Hydractive (vůz Citroën DC) a Hydractive II (vůz Citroën Xatnia). Spojuje principy hydrauliky a elektronického zpracovávání informací. Používá hydropneumatické odpružení a řídicí jednotku BHI. Zajišťuje stálou světlou výšku bez ohledu na zatížení vozu a tím i stálé jízdní vlastnosti. Systém pracuje ve třech jízdních úrovních pro zvýšení bezpečnosti a pohodlí posádky vozu. 1) Vozidlo zůstává v referenční výšce ve městech a na silnicích do rychlosti 100km/h 2) Vozidlo se sníží o 15 mm, jestliže rychlost vozidla překročí 110km/h 3) Na rozbitých cestách, kde rychlost vozidla klesne pod 60 km/h se podvozek zvýší o 20mm. [3] Podvozek může být také ovládán ručně a to pomocí elektronického tlačítka, které nabízí čtyři úrovně nastavení podvozku: 1) H: vysoké postavení podvozku. Např. pro výměnu kola při defektu 2) P: zvýšení podvozku o 40mm. Např. pro překonání překážky v nízké rychlosti. 3) N: návrat do referenční pozice 4) B: snížení podvozku. Např. pro nakládání nebo vykládání zavazadel Automobil se automaticky vrátí do referenční pozice, jakmile je rychlosti vyšší než 10km/h Princip činnosti Systém se skládá s hydropneumatické řídicí jednotky a hydraulického okruhu s vysokým tlakem až 27,5 MPa. Kompaktní hydroelektrický blok BHI s vestavěným elektrickým čerpadlem je pomocí elektrických snímačů rychlosti a výšky karoserie informován o chování vozu a stavu vozovky.[3] Obr Schéma systému Hydractive III [24] 16

17 4.1.2 Funkce hydropneumatické řídicí jednotky Tato jednotka nevyžaduje tlumič, protože umožňuje účinné tlumení přímo v pružící jednotce. Vyznačuje se tím, že pracuje s konstantní hmotností pružícího plynu - dusík (1). O tlumení se stará ventil (2) který je umístěn v horní části válce (3). Ve ventilu jsou vyvrtány tři otvory, které umožňují prodění tlumící kapaliny. Dva z nich zakrývají pružné kotouče, uprostřed je třetí otvor průchozí a umožňuje tak stálý průtok kapaliny. Při pohybu pístu (4) směrem nahoru kapalina nadzvedává kotouč a proudí pravým otvorem. Při pohybu pístu směrem dolů kapalina nadzvedává kotouč a proudí levým otvorem. Tím se docílí rozdílného tlumení při stlačování a roztahování tlumiče. V horní části válce je přípojka (5) pro regulaci světlé výšky. Tu ovládá BHI jednotka která řídí elektrické čerpadlo a to udržuje neustálý tlak v cirkulaci oleje v hydraulickém okruhu. Obr Schéma hydropneumatické jednotky [23] BHI (Bloc Hydroélectronique Intégré) Jak vyplývá z francouzského názvu, jde o hydroelektronický blok, ten je každých 10 ms informován elektrickými snímači, které sledují rychlost a výšku karoserie o stavu vozovky a způsobu jízdy. Každou 1 min vyhodnocuje situaci. Podle dané situace řídí světlou výšku vozu. Má vestavěné samostatné elekrické čerpadlo. Obr Schéma BHI bloku [24] 17

18 4.2 SYSTÉM HYDRACTIVE III PLUS Systém se používá u automobilů Citroën C5 motorizace V6 HDI a HPI. Jde o zdokonalený systém Hydractive III. Je vybaven elektronickou řídicí jednotkou s pěti snímači. Ty sledují natočení volantu, polohu pedálu akcelerátoru, brzdný tlak, vertikální pohyby karoserie a rychlost jízdy. Rozdíl mezi systémem Hydractive III spočívá v přidání dvou tlumičových ventilů do hydraulického okruhu. Tím se zvyšuje možnost nastavení tlumení. Podle zapojení nebo odpojení přídavných tlumičů může mít systém dva režimy nastavení měkký nebo tuhý. Snímač natočení volantu nepřetržitě informuje jednotku BHI o možné změně směru. Obr. 4.2 Schéma systému hydractive III Plus [25] Pozitiva Zajišťování stálé světlé výšky vozu bez ohledu na zatížení a tím i stálé jízdní vlastnosti. Bezúdržbová konstrukce hydraulického okruhu. Dlouhá životnost až 5 let, nebo km Negativa Servis vyžaduje odborně vyškoleného pracovníka. Při selhání systému nastane pokles na podvozku do nejnižší polohy. Nejčastější problémy u toho systému jsou úniky hydraulické kapaliny. To je velmi často způsobenou špatným nebo vadným těsněním tlumiče, nebo špatnou hydraulickou kapalinou. 18

19 4.3 SYSTÉM ABC (Active Body Control) Tento systém vynalezla německá automobilka Mercedes-Benz. Vývoj trval od roku 1978 a poprvé tento systém uvedla na trh v roce 1999 ve voze Merceds-Cupé CL. Tento systém zahrnuje kompaktní pružící vzpěru s integrovaný pružícím a tlumícím systémem a hyraulicky regulovaný válec.[2] Funkce Každé kolo je ovládáno hydraulickou pružicí jednotkou. Ta se skládá s dvoukomorového tlumiče, vinuté pružiny, elektricky ovládaného hydraulického válce s elektrickým senzorem a dvou proporcionálních ventilů. Celý systém se ještě skládá s hydraulického vysokotlakého čerpadla a řídicí jednotky. Senzor uvnitř hydraulické pružící jednotky zaznamenává pozici pružiny a společně se senzorem pohybu karoserie posílá údaje do řídicí jednotky. Řídicí jednotka informace zpracuje a podle aktuální situace hydraulické čerpadlo čerpá olej do hydraulické pružící jednotky, ten je dávkován pomocí proporcionálních ventilů, stlačí pružinu a tím dojde k vyvození patřičné síly na pružinu a následnému vyrovnání pohybu vozidla. Řídicí jednotka provádí tuto regulaci každých 10 ms a to vše pod tlakem až 20 MPa.[4] Systém funguje v rozmezí pohybu karoserie až do 6 Hz.[4] To je taková frekvence, která se vyskytuje například při brždění. Systém ABC se do ostatních systémů liší také eliminací příčného stabilizátoru na přední a zadní nápravě. Obr ABC systém (Mercedes-Benz CL) [26] 19

20 4.3.2 Další funkce Systém nabízí pro ještě lepší komfort další dvě funkce. Pomocí elektronického panelu na přístrojové desce si řidič může vybrat ze dvou nastavení podvozku. A to Komfort a Sport. V režimu komfort je podvozek nastaven více měkce a nabízí tak pohodlí limuzíny, zatímco při režimu sport je podvozek nastavený více tvrdě. Je tak upřednostněná sportovnější jízda Senzory První senzor sleduje pohyby karoserie, druhý senzor je umístěn v jádře hydraulického válce a sleduje úroveň pružiny uvnitř. Senzory jsou používány od firmy Sachs. Obr Schéma Schéma hydraulického válce firmy ZF Sachs [27] Pozitiva Stabilizování pohybů karoserie, téměř úplné zamezení naklápění automobilu při prudké změně směru jízdy (např. vyhýbání se nečekané překážce). Vysoký komfort a bezpečnost jízdy. Manuální nastavení výšky vozu. Snížení pohybu karoserie při akceleraci a deceleraci až o 68% oproti pasivnímu odpružení Negativa Při používání hydraulického válce je potřeba velmi kvalitní provedení utěsnění tlumiče. Při jakékoli menší netěsnosti dochází ke snížení kvality tlumení. To má za následek snížení komfortu. 20

21 4.4 SYSTÉM SKYHOOK Systém vynalezla německá firma ZF Sachs. Je to teoreticky nejideálnější způsob odpružení automobilu. Automobil ideálně kopíruje terén bez toho aniž by se vertikálně pohybovala karoserie vozu. Díky tomu se cestujícím může zdát jako by byl automobil zavěšený v nebi a nad vozovkou se vznášel. Právě kvůli tomu nese systém označení Skyhook, což se dá přeložit jako nebeský hák. Systém Skyhook je pojmenování ovládání tlumičů automobilu. Skyhook však upřednostňuje jen tlumení karoserie (komfort cestujících), zanedbává tlumení kmitání neodpružených hmot. Díky tomu se systém kombinuje s dalšími konvenčními tlumiči a dalšími systémy řízení podvozku. My si tento systém podrobně popíšeme v systému IDS plus automobilky Opel Systém IDS plus (Interactive driving systém) Tento systém se skládá z CDC tlumičů, řídicí jednotky, tří senzorů zrychlení karoserie, senzorů pohybu kol, řídicí jednotky kontroly tlaku v pneumatikách, ovládacího panelu, snímače natočení volantu, čidla příčného zrychlení a natočení kolem vlastní příčné osy, řídicí jednotky ESP (Electonic Stability Program elektronická stabilizace jízdy), hydraulického posilovače řízení. Obr Schéma uložení systému IDS plus u vozu Opel Astra [28] 21

22 4.4.2 Funkce Pomocí informací získaných ze tří senzorů zrychlení, které jsou umístěny nad předními koly (dva snímače) a ve střeše automobilu (jeden snímač). Senzorů pohybů kol, senzoru příčného zrychlení, senzoru natočení automobilu kolem příčné osy a snímače natočení volantu, řídicí jednotka CDC vyhodnotí aktuální situaci. Jako první proces provede regulaci tlaku v pneumatikách a až poté vyšle signál do CDC tlumičů. V tlumiči se přestaví ventil, díky kterému se mění jeho progresivita. Po všech těchto úkonech se aktivuje funkce systému ESP, ten koriguje neotáčivé nebo přetáčivé chování vozu. Chování řídí pomocí přibrzďování jednotlivých kol. Pomocí ovládacího prvku na přístrojové desce má řidič možnost volby mezi třemi způsoby nastavení tlumičů. Může si vybrat komfortní nastavení (měkká charakteristika), standart (kompromis mezi měkkou a tvrdou charakteristikou) a režim sport (tvrdá charakteristika). Popis obrázku 1. CDC tlumič 2. Senzor zrychlení karosérie 3. Senzor zrychlení kola 4. CDC ventil 5. Elektronická řídicí jednotka Obr CDC systému [29] 22

23 4.4.3 CDC tlumič Jedná se o hydraulický tlumič. Mimo těleso tlumiče je umístěn řídicí ventil. Uvnitř ventilu je elektromagneticky nastavitelný pohyblivý člen (píst). Díky tomuto členu se buď otevírají, nebo zavírají průtočné kanálky. Ty umožňují měnit charakter tlumení z měkkého na tvrdé a naopak. Řídicí jednotka upravuje proud potřebný k řízení pohyblivého členu až dvacetkrát za sekundu. Proud se pohybuje v rozmezí 0 až 1,8A, samotný řídicí ventil vyžaduje velmi nízký příkon 15W. [5] V přídě poruchy systému se řídicí ventil pomocí pružiny přesune do polohy pro sportovní nastavení (tvrdá charakteristika tlumení), tímto se preferuje bezpečnost před komfortem. Obr Detail řídicího ventilu [29] Pozitiva Systém vyniká vysokou bezpečností, díky optimalizaci tlumení každého kola. Při brzdění se díky lepšímu kontaktu kol s vozovkou zkracuje brzdná vzdálenost. Také vlivem propojení celého systému s dalšími systémy řízení automobilu (ESP) je automobil dobře ovladatelný například při náhlé změně směru jízdy Negativa Náročná údržba celého systému a potřeba specializovaného servisu. Vlivem umístění řídicího ventilu mimo tělo tlumiče zabírá celý CDC tlumič oproti konvenčnímu větší zástavbový prostor. Díky složité konstrukci je tlumič více náchylný k poškození, které může nastat např. při jízdě špatným terénem. 23

24 4.5 SYSTÉM AUDI MAGNETIC RIDE Tento systém na podzim roku 1998 vyvinula automobilka Audi a v roce 2006 jej použila u vozu Audi TT a v dnešní době se systém využívá i ve vozech Audi R8. Byl vyvinut ve spolupráci se společností Delphi. Systém se snaží najít ideální nastavení pro komfortní a zároveň dynamickou jízdu aniž by nastal kompromis mezi objemy stavy. K tomu Audi využívá magnetoreologické tlumiče Delphi MagneRide (dále jen MR). Funkce tohoto systému bude dále popsána pro vůz Audi TT. Obr. 4.5 Schéma MR systému [30] Funkce Audi Magnetic Ride se skládá ze systému Delphi MagneRide. Ten v sobě zahrnuje magnetoreologické tlumiče umístěné na obou nápravách automobilu řízených elektronickou řídicí jednotkou ECU (Electronic Control Unit) a senzorů nastavení tlumiče. A ze zbylých prvků jako jsou senzory pohybu karoserie. Ty jsou umístěny rovnoměrně po celém voze automobilu. Další součástí je ovládací panel umístěný v blízkosti řadicí páky. Nechybí ani speciální sběrnice dat Controller Area Network (dále jen CAN) a signalizace poškození tlumiče. Senzory zachycující pohyb karoserie posílají informace do řídicí ECU jednotky. ECU informace zpracovává a podle dané situace posílá signál řídicí jednotce každého tlumiče. Ta podle doručených informací zvolí optimální nastavení. Síla tlumení jednotlivého tlumiče je závislá pouze na síle vyvozené magnetoreologockou tekutinou a může být upravena během 7 ms. Magnetoreologická tekutina je uhlovodíkový olej ve kterém jsou makroskopické částice o velikosti od 3 do 10 m.[6] 24

25 Aby mněl řidič přehled o stavu tlumičů slouží mu k tomu signalizační panel. Na něm se v případě závady rozsvítí varovná kontrolka. Panel je spojen se CAN sběrnicí, která zpracovává informace z ECU jednotky. CAN je sériový komunikační protokol umožňující distribuované řízení systémů v reálném čase s vysokou mírou zabezpečení proti chybám. [7] V automobilu je použit pro rychlou a bezchybnou komunikaci mezi jednotlivými jednotkami a to proto, aby nedocházelo k nadměrnému přetěžování centrálního procesoru. Celý systém Audi Magnetic Ride může pracovat ve dvou základních režimech. A to v režimu komfort nebo sport. Řidič si daný režim může zvolit pomocí tlačítka umístěného v blízkosti ředící páky. Při zapnutém režimu komfort je magnetoreologický olej více vizkózní čímž umožňuje měkčí nastavení tlumiče. Jízda je tak více pohodlnější, což je výhodné zejména pro jízdu na dlouhé vzdálenosti nebo při překonávání nerovného terénu. Při zapnutém režimu sport je magnetoreologický olej naopak méně viskózní a tlumič se tak stává tvrdší. To má za následek lepší přilnavost kol s vozovkou, ale menší komfort. Výkyvné pohyby karoserie jsou potlačovány až do okamžiku prudké změny směru vozidla. Obr Tlačítko pro změnu režimu nastavení tlumičů [31] 25

26 4.5.2 Funkce magnetoreologického tlumiče Magnetoreologický tlumič je jedno plášťový tlumič, který k tlumení používá magnetoreologickou tekutinu. Uvnitř tlumiče je speciální píst, ve kterém jsou otvory umožňující proudění tekutiny a elektromagnetická cívka. Cívka na základě impulsů z řídicí jednotky vyvolává elektromagnetické pole. Malé částice v magnetoreologickém oleji se vlivem působení vzniklého elektromagnetického pole zformují ve směru toku magnetického pole. To má za následek změnu charakteristiky tlumení. Čímž je magnetické pole silnější tím přesněji se částice zformují a tlumič se tak stává tvrdší. Při vypnuté elektromagnetické cívce se částice mohou v oleji libovolně pohybovat. To znamená, že nevyplní takový prostor v otvorech pístu jako při zapnuté elektromagnetické cívce. Díky tomu je dosažena měkká charakteristika tlumiče. Obr Magnetoreologický tlumič Delphi MagneRide [32] Pozitiva Systém vyniká velmi rychlou schopností změny nastavení tlumení. Tlumiče mají díky elektromagnetické cívce velmi široké spektrum nastavení tvrdost tlumení. Navíc nejsou náročné na spotřebu energie. Celý systém může být propojen ještě s dalšími řídicími systémy jako je například ABS. Senzory, ECU řídicí jednotka a tlumiče jsou schopny spolehlivě pracovat i teplotním rozmezí od -40 C až do 110 C pro tlumiče, 105 C pro senzory a 85 C v případě řídicí jednotky. [8] Negativa Systém je relativně nový, což má vliv především na pořizovací cenu. Při poruše má tlumič nejměkčí progresivitu tlumení. To má za následek houpavý pohyb vozidla po přejetí nerovnosti nebo při náhlé změně směru nepříjemné naklápění. 26

27 4.6 BOSE SUSPENSION SYSTÉM Systém využívá k tlumení a odpružení vozu naprosto odlišný způsob, než ostatní společnosti zabývající se systémy řízení aktivního odpružení. společnost Bose k tomuto účelu využívá speciální tlumiče, jenž jsou vlastně lineární elektromagnetické motory. Systém se zatím neobjevil na žádném sériově vyráběném voze, ale jen jako prototyp. Společnost nabízí tento systém k vyzkoušení, namontovaný ve voze Lexus LS 400 sedan. Systém je schopný regulovat odpružení už během 1 ms. Což je zatím vůbec nejrychlejší regulace ze všech systémů aktivního odpružení. Při náhlé změně směru se vůz nenaklání, a při přejezdu překážky nebo terénní nerovnosti nedochází k téměř žádnému nadzvednutí nebo shoupnutí vozidla. Díky tak rychlé změně tlumení se zdá jako by vůz kola před každou překážkou nadzvedával. Obr. 4.6 Bose suspension system [33] Funkce Systém obsahuje lineární elektromagnetické motory, vysokovýkonné kondenzátory UltraCaps, řídicí jednotku a výkonné zesilovače, které jsou umístěny u každého kola. Dále jsou ve voze rozmístěny snímače pohybu karoserie a natočení volantu. Snímače posílají informace do řídicí jednotky ke každému kolu. Ta danou situaci vyhodnotí a vyšle elektrický signál k lineárnímu elektromagnetickému motoru. Systém pracuje s napětím 300 V, což je podstatně víc než napětí palubní sítě. Ta pracuje s napětím 12 V.[9] Práce s takovýmto napětím je umožněna díky rekuperaci energie. Tlumič při zasouvání vytváří vlivem pohybu magnetu uvnitř cívky elektromagnetické pole. Tím dochází k vytváření elektrické energie. Ta se ukládá do vysoko výkonných kondenzátorů a 27

28 slouží jako pomocný zdroj pro další regulaci. Díky tomu je docíleno velmi malého příkonu systému tlumení, což je o třetinu méně než potřebuje například klimatizace. Tlumiče jsou vlastně lineární elektromotory. Uvnitř každého tlumiče je magnet a okolo kterého je cívka. Díky elektrickému proudu vtékajícímu do cívky vzniká magnetické pole, které pohybuje magnetem. Tlumič se díky tomu vysouvá a vlivem síly magnetického pole je dán odpor potřebný k zasouvání tlumiče. Obr Lineární elektromotor [34] Pozitiva Systém dokáže regulovat odpružení i tlumení během 1 ms, což mu dává velkou výhodu oproti ostatním systémům. Ty dokáží regulovat tlumení během 7 ms, v případě např. magnetoreologického tlumení.[9] Negativa Velkou nevýhodou tohoto systému je poměrně velký zástavový prostor, se kterým musí výrobci aut počítat. V neposlední řadě je také velká nevýhoda v celkové složitosti celého systému a tím spojeném servisu náhradních dílů. Mezi nevýhody by se také dala uvést velká hmotnost celého systému. 28

29 5 Závěr V této bakalářské práci byly zmíněny jen vybrané systémy řízení aktivního podvozku. Protože se systémy každým rokem neustále vyvíjí nebo jinak inovují, není možné popisovat zcela všechny systémy. Každý ze zmíněných systémů má své klady i zápory. Některé vynikají svou relativní jednoduchostí jiné svou variabilitou. V dnešní době se systémy řízení aktivního podvozku snaží zpracovávat informace nejen klasickým způsobem. Což je vyhodnocování situace pomocí senzorů umístěných po celém automobilu, ale i použitím informací z ostatních systémů podporujících řidiče. To může být např. ESP (Electronic Stability Program), ABS (Antilock Braking System), EBD (Electronic Brakeforce Distribution), atd. Společnosti se snaží integrovat všechny systémy podporující řízení vozu do jednoho centrálního systému, který může řidič pomocí kontrolního panelu ovládat nebo díky němu sledovat aktuální stav jednotlivých systémů. U všech systémů však vždy dochází k časové prodlevě, než dojde k určitému typu nastavení tlumiče. To je zapříčiněno tím, že senzor zaznamená nerovnost na vozovce až v okamžiku, kdy na ní kolo vozidla najede. Senzory musí tuto změnu zpracovat, odeslat informace do řídicí jednotky a ta následně dává pokyn k nastavení tlumiče. Díky tomu nelze nikdy regulovat tlumič ve skutečně reálném čase. Jediná možnost jak opravdu regulovat tlumení ve skutečně reálném čase, je sledovat terén nebo nerovnosti ke kterým se vůz přibližuje. A to např. pomocí kamer nebo skenerů. To ovšem znamená další poměrně složitou náročnost a požadavky na použité technologie. I přes všechny moderní prvky usnadňující řízení vozidla a tím i bezpečnost jak posádky, tak i okolí (silniční provoz) má největší míru na bezpečí jen člověk sám. Na bezpečnost má ovšem největší podíl samotné chování, ohleduplnost řidičů a ostatních účastníků silničního provozu. 29

30 Použité zdroje Internetové zdroje a literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] VLK, František. Automobilová elektronika 2 : Systémy řízení podvozku a komfortní systémy. 1. vyd. Brno: František Vlk, Mokrohorská 347/34, Brno, s., 0. ISBN VLK, František. Podvozky motorových vozidel : Pneumatiky a kola, Zavěšení kol, nápravy, odpružení, řídicí ústrojí, brzdové systémy. 3. aktualiz. vyd. Brno : Nakladatelství a vydavatelství VLK, s. ISBN X. Citroënët : Hydractive 3 [online] [cit ]. Dostupný z WWW:< Auto.cz : Mercedes-Benz CL - First Class [online]. 2006, [cit ]. Dostupný z WWW:< >. CDC: aktivní tlumiče letos našly cestu do běžných aut!. Auto.cz [online] [cit ]. Dostupný z WWW:< Audi-sport.net : Audi Magnetic Ride System [online]. [2005] [cit ]. Dostupný z WWW:< Elektrorevue : Sběrnice CAN [online]. 2003, [cit ]. Dostupný z WWW:< Delphi [online] [cit ]. Dostupný z WWW:< Bose: aktivní podvozek nové generace. Auto.cz [online] [cit ]. Dostupný z WWW:< VLK, František. Automobilová elektronika 1 : Asistenční systémy. 1. vyd. Brno : Nakladatelství a vydavatelství VLK, s. ISBN JAN, Zdeněk, ŽDÁNSKÝ, Bronislav. Automobily : Podvozky vyd. Brno : Avid s.r.o, s. Bose [online]. c2009 [cit ]. Dostupný z WWW:< ZF Sachs [online]. c2009 [cit ]. Dostupný z WWW:< Autolexicon [online]. c2008 [cit ]. Dostupný z WWW:< Audi-sport [online]. c2001 [cit ]. Dostupný z WWW:< >. Opel [online]. c2009 [cit ]. Dostupný z WWW:< Delphi [online]. c2009 [cit ]. Dostupný z WWW:< 30

31 Zdroje obrázků [18] Auta5p [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [19] Wayne s garage [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [20] Telegraph.co.uk [online]. [2000] [cit ]. Dostupný z WWW: < >. [21] NetCarShow.com : Mercedes-Benz CL Coupe [online]. 1999, [cit ]. Dostupný z WWW: < [22] Autoforum [online]. [2000] [cit ]. Dostupný z WWW: < >. [23] Brno car : Odpružení nové generace [online]. [2000] [cit ]. Dostupný z WWW: < [24] Cartecc : Hydropneumatic Suspension [online]. 2008, [cit ]. Dostupný z WWW: < [25] Brno car : Odpružení nové generace [online]. [2000] [cit ]. Dostupný z WWW: < [26] Autolexicon : ABC (Active Body Control) [online]. 2009, [cit ]. Dostupný z WWW: < [27] ZF Sachz : ABC Modul [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [28] Kfztech.de : Ids plus [online]. [2000] [cit ]. Dostupný z WWW: < >. [29] Auto.cz : CDC: aktivní tlumiče letos našly cestu do běžných aut! [online]. 2004, [cit ]. Dostupný z WWW: < [30] Auto.cz : Nové Audi TT - Distingované sportování [online]. 2006, [cit ]. Dostupný z WWW: < >. [31] Germancar blog : Audi TT: First picture of the Magnetic Ride option [online]. 2006, [cit ]. Dostupný z WWW: < [32] Gizmag : Audi\'s new magnetic semi-active suspension system [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [33] MRC [online]. [2003] [cit ]. Dostupný z WWW: < /tech_details/popup_lc_comp_5.jsp >. [34] Bose : Die Geschichte unserer Forschung [online]. [2000] [cit ]. Dostupný z WWW: < >. 31

32 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1.1 Obr. 1.2 Obr. 1.3 Obr. 1.4 Obr. 1.5 Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr Obr. 4.5 Obr Obr Obr. 4.6 Obr Otevřená dvoumístná tříkolka 9 Čtyřkolový motorový vůz.. 9 Citroen DS 19 9 Mercedes-Benz CL Coupe 10 Opel Astra. 10 Schéma systému Hydractive III 16 Schéma hydropneumatické jednotky 17 Schéma BHI bloku 18 ABC systém (Mercedes-Benz CL) 19 Schéma Schéma hydraulického válce firmy ZF Sachs.. 20 Schéma uložení systému IDS plus u vozu Opel Astra.. 21 CDC systému. 22 Detail řídicího ventilu 23 Schéma MR systému. 24 Tlačítko pro změnu režimu nastavení tlumičů Magnetoreologický tlumič Delphi MagneRide. 26 Bose suspension systém. 27 Lineární elektromotor