Modelování jízdy vozidla

Transkript

1 Modelování jízdy vozidla Ing. Jan Baněček ČVUT Praha, Výzkumné centrum Josefa Božka Technická 4, Praha 6 Czech Republic Souhrn V příspěvku jsou popsány modely podélné (jízdní) dynamiky vozidla. Modely vytvořené v prostředí MATLAB/Simulink jsou navrženy pro spolupráci s modelem přechodových stavů motoru vyvíjeným ve VCJB. Cílem je možnost simulace jízdních zkoušek vozidel z hlediska dosahovaných výkonů, spotřeb a emisí (testy EHK). Jsou popsány tři stupně abstrakce vozidla. Pozornost je věnována i algoritmům základních činností řidiče při ovládání vozidla, tj. spojky, řazení a plynu. Výklad je doplněn příklady. Summary Simulation of vehicle performance Simulation models of longitudinal (drive) dynamics of vehicle are introduced in this paper. Models, are build in the Matlab/Simulink environment. They are designed for cooperation with the engine non stationary model, developed in VCJB. The goal of the work is to obtain a possibility of modelling car tests with respects to performance, cosumption and emissions (standard test) etc. Three degrees of abstractions are discussed. Algorithms of basic driver operation controls of the vehicle, ie. clutch engagement, gear switching and load control are discussed too. Examples are included Úvod Zájem o výpočty výkonů a funkčních vlastností (spotřeb, exhalací) vozidel trvá již delší dobu. Na trhu je možno nalézt řadu komerčních produktů zaměřených tímto směrem. Přesto jsme se rozhodli vyvíjet podobný sw v rámci VCJB.

2 Důvody k tomu jsou v podstatě následující Umět to. Výzkumné centrum zaměřené na motorová vozidla by, podle našeho názoru, mělo problematiku simulací dobře ovládat a ne se spoléhat na dodané komerční produkty. Ještě markantnější je tento požadavek z pohledu výchovy nastupující generace odborníků Znát problémy a omezení. U komerčních produktů není zvykem upozorňovat na úskalí jejich použití, jejich nedostatky, nebo omezení. Ale právě znalost těchto údajů je nezbytná pro kvalifikované využití jejich výsledků. Nekvalifikované aplikace programového vybavení jsou stále žhavějším problémem, než bychom si přáli. Modelovat neklasické (hybridní) pohony. Součástí náplně VCJB jsou práce na studiích různých netradičních systémů pohonu vozidel (např. hybridních), příp. Vývoj nových algoritmů řízení motorů a vozidel. Pružnost ve vývoji prostředků pro jejich simulaci je zde velmi důležitým požadavkem. Provedené práce vedly ke vzniku souboru modulů v prostředí Matlab/Simulink, určených k sestavování modelů pro simulaci podélné dynamiky vozidel (jízdy vozidla po trati). Knihovna se ladí ve spolupráci s modelem přechodových stavů motoru vyvíjeném ve VCJB. Základní komponenty pro modelování jízdy Při modelování jízdy vozidla je třeba řešit tři základní okruhy problémů : modelování hnacího ústrojí vozidla jako mechanického systému modelování tratě pro jízdu modelování obsluhy vozidla podle požadavků plynoucích ze způsobu simulace nebo z tratě. V současné době obsahuje knihovna základní moduly hnacího ústrojí vozidla. Tyto modely jsou vytvářeny s uvažováním všech parametrů, které mohou mít vliv na modelování podélné dynamiky vozidla. Ostatní fyzikální

3 parametry (torzní tuhosti, osová tuhost spojky při spínání atd.) Jsou zanedbány. model spojky je klasický dvouhmotový model s uvažováním momentů setrvačnosti spojených s hnacím i hnaným hřídelem, přenosem hnacího momentu třením a hydrodynamickými odpory v ložiscích obou hřídelů. Ovládání spojky je provedeno předepsáním velikosti přítlačné síly mezi lamelami. Relativní pohyb kotoučů (skluz spojky) je modelem řešen automaticky. jednostupňový převod je základním modulem pro modelování ústrojí s konstantním převodem. Je samostatně použitelný jako stálý převod, zároveň je používán jako základní stavební prvek pro řaditelné vícestupňové převodovky. Vícestupňový převod je v této chvíli realizován jako řaditelná 5st. převodovka. Blok zajišťuje změnu parametrů (přev. poměru, odporů ap.) jednostupňového převodu sloužícího jako základ. Nesimuluje tedy děje jako synchronizace, torzní kmity ap. model spojovacího hřídele resp. jeho momentu setrvačnosti je do knihovny agregátů zařazen pro budoucnost. Model může být v případě potřeby doplněn o torzní tuhost pro zkoumání kmitavých dějů v hnacím ústrojí. model kola zahrnuje setrvačnost kola k jeho ose. Translační hmota kola není uvažována samostatně a je zahrnuta do translační hmoty celého vozu. modely pneu jsou jak známo důležitou součástí všech modelů podélné dynamiky vozidel, ovlivňující zásadně jejich chování. Důvodem jsou jednak známé nelinearity v závislostech sil mezi kolem a pneumatikou na postavení a zatížení kola, jednak skluz mezi pneumatikou a vozovkou, se kterým musí počítat fyzikálně správný model. Je známa celá řada modelů pneumatik od jednoduchých funkčních náhrad až po různé magické formule (např. Pacejkův model). Obvykle ale komplexnost modelu pneumatiky zvyšuje náročnost jak na vstupní data, tak na integraci modelu, je-li součástí složitějších soustav. Z uvedených důvodů obsahuje

4 naše knihovna několk modelů pneu různé složitosti. Prvním z nich je jednoduchá náhrada analytickou funkcí, dostačující pro 2d model jízdní dynamiky při malých skluzech (do 10%). Další modely realizují charakteristiky pneumatiky pomocí 2d, resp 3d tabulek naměřených charakteristik pneumatiky. plošné schéma vozidla je v současné době posledním realizovaným blokem mechanických komponent vozidla. Jedná se o schéma pérování vozidla v podélné rovině symetrie (XZ), umožňující zahrnout do modelu výpočet změn svislých reakcí na kola při působení podélného zrychlení, resp při změně výškového profilu vozovky. Vstupní a výstupní porty bloků ani jejich schémata zde pro nedostatek mista neuvádíme. Jsou patrné na přiloženém úplném plošném schématu vozidla obr.:1. Modelování tratí pro jízdu vozidla Součástí každé metodiky simulace jízdy vozidla je způsob popisu tratě. Pro výpočty výkonů a podélné dynamiky vozidla se zpravidla používá 2d reprezentace, tzv. Výškový profil. Trať je definována jako poslupost úseků ohraničených dvěma krajními body. Každý z krajních bodů úseku má definovány základní geometrické charakteristiky vzdálenost a výšku a k mtomu řadu dalších údajů. Tyto charakteristiky jsou mezi krajními body interpolovány. Údaje definované v každém bodě tratě jsou vzdálenost, výška, rychlost, odpor valení, náklad, předepsaný převodový stupeň, koeficient adheze. Něktré z nich jsou v daném bodě definovány zleva i zprava. Tyto údaje dostačují i k popisu těch vlastností vozidla, které nejsou obsaženy v fyzikálním modelu, tedy např dosažitelného dostředivého zrychlení. Typicky jízda vozu v zatáčkách je řízena maximální rychlostí, povolenou v daném úseku (zatáčce). U tohoto 2d modelu je proto údaj o křivosti oblouku nepovinný. Je-li uveden slouží k výpočtu maximální rychlosti vozidla v tomto úseku, pokud tato není předepsána. Obdobný přístup můžeme vidět ve většině profesionálních programů typu Lap Time simulator, používaných k

5 přizpůsobování parametrů závodních vozidel na okruhy. U nich se však mezní rychlost v zatáčce s výhodou získává nebo počítá z údajů palubního zapisovače (tzv. telemetrie). Z hlediska simulačních úloh můžeme rozeznávat tři druhy tratí tratě pro standardní testy tratě odpovídající reálným komunikacím tratě generované náhodně Zajímavou otázkou je způsob získávání dat tratě pro simulaci jízdy. Provedli jsme některé pokusy se zefektivněním této činnosti pomocí inerciálních navigačních systémů, bohužel zde není možné se této problematice věnovat podrobněji. Ovládání vozidla Pro úspěšné modelování vozidla potřebujeme znát způsob, jakým ovládat jednotlivé (k tomu určené) regulační parametry modelu. Regulační parametry volíme samozřejmě identické s ovládáním skutečného vozidla, tedy Ovládání motoru. V našich modelech předpokládáme, že ridič ovládá parametr vozidla, z něj se posléze odvozuje nastavení parametru motoru. Jedná se tedy o jakousi obdobu elektrického plynového pedálu. Podle druhu prováděné simulace musíme dále rozeznat dva základní případy ovládání parametru vozidla Ovládání v průběhu testů (vynucené). Dochází k němu při simulacích zkušebních režimů, např. testu exhalací, kdy je testem předepsán přímo pohybový stav vozidla. Tento stav je navíc znám do budoucna. Z průběhu testu lze odvodit požadované nastavení parametru vozidla (dokonce i motoru). Ovládání při simulaci jízdy po trati v tomto případě je mezi tratí (resp. hodnotami získanými z trati) a parametrem vozidla vložen proces přetvářející jedno na druhé, neboli proces plánující způsob pohybu po trati

6 a z něj odvozené nastavení parametrů vozidla. Aniž bychom se zde mohli zabývat podrobnostmi, zmiňme se o jednom aspektu modelování chování řidiče. Důmyslné modely řidičova chování zlepšují reálnost chování vozidla na trati, ale na druhé straně zhoršují reprodukovatelnost výsledků. Z toho důvodu je vhodné pro simulace prováděné za účelem srovnávání konstrukčních variant používat jednoduché tratě a jednoduché modely řidičova chování, zatímco při zjišťování provozně technických a ekonomických vlastností vozidla využijeme s výhodou důmyslnější modely řidiče. Ovládání spojky probíhá v následujících režimech Ovládání spojky pri rozjezdu je kombinací ovládání parametru motoru a přítlačné síly spojky. Tento postup není zcela triviální (jak si mnozí pamatujeme z autoškoly). K sepnutí spojky musí dojít ve fázi zpomalování hnacího hřídele (motoru) vůči výstupnímu hřídeli. Celý proces se v důsledku toho skládá z fáze prokluzu spojky, ve které zrychlují oba hřídele spojky a kratší fáze sepnutí spojky, kdy obvykle otáčky motoru klesají (nesmí však klesnout pod otáčky nastavené v počátku manévru). Vzhledem k tomu, že u některých jízdních režimů (městský provoz) má režim rozjezdu vysokou četnost, je třeba tomuto algoritmu věnovat pozornost. Ovládání spojky pri řazení. Vzhledem k tomu, že při řazení neuvažujeme (časově proměnný) proces synchronizace, je ovládání spojky při řazení zjednodušeno na rozepnutí spojky na určitý (předem nastavený) časový interval. Po tuto dobu je parametr vozidla nastaven na nulu. Zároveň se sepnutím spojky je parametr motoru nastaven na hodnotu kterou měl při začátku řazení. K režimu ovládání spojky při řazení počítáme i rozpojení spojky při zastavení, Dochází k němu, pokud rychlost vozidla poklesne pod jistou malou hodnotu, bez dalších podmínek. Ovládání převodovky, neboli nastavení převodového stupně vhodného pro současný a požadovaný stav vozidla. Je-li zkoumáno v celé obecnosti jde o

7 poměrně složitou úlohu. Na rozdíl od automatické převodovky, která musí svůj stav odvozovat jen od aktuálního stavu vozidla a svého, náš řidič má jistou znalost trati i do budoucna. Přesto ale optimální nastavení převodového poměru závisí na celé řadě veličin (rychlost, zrychlení vozidla, parametr motoru, odpory vozidla, čas posledního řazení, otáčky vstupního hřídele převodovky) a interakci s ostatními ovládacími prvky a jízdními stavy vozidla (brzdění motorem, odstupnění převodovky atd.) Základní algoritmus řazení je založen na tzv křivkách řazení vysvětlených např. v (1).Je doplněn celou řadou doplňujících mechanismů zamezujících cyklování řazení ve složitých podmínkách provozu. S ohledem na snahu zjednodušit zadávání modelu v případě, že bude používán k vývoji technických řešení skupin vozidla, vyvinuli jsme krome úplného modelu ještě zjednodušený model řazení. V něm jsou všechny křivky řazení realizovány stejnou funkcí (tanh) a zadává se jen umístění řadicí křivky na ose rychlostí, změna převodu nastává skokem, čas řazení (je to zároveň doba rozepnutí spojky při řazení) je nastaven pevně ap. Schéma modulu zjednodušeného řazení je na obr. (2) Modely vozidla. Popsané moduly je možno sestavovat do různě složitých modelů. Dosud jsme zkoušeli následující varianty: Redukce vozidla na spojku. Při vývoji modelu přechodových stavů motoru, probíhajícím zároveň ve VCJB, je důležitým požadavkem rychlost výpočtu. Z toho důvodu byl pro první přiblížení a počáteční verifikace modelu motor vozidlo použit nejjednodušší možný model, tj.redukce hmotností, momentů setrvačnosti a odporů celého vozidla na výstupní hřídel spojky. Tak je možno provádět simulace rozjezdu vozidla, (a regulace motoru při něm) případně akcelerační testy při zařazeném jednom rychlostním stupni. na relativně jednoduchém modelu. To nám umožnilo rychle najít a pozměnit některé nevhodné vlastnosti modelu spojky. Druhým stupněm modelu vozidla je vozidlo redukované na výstupní hřídel převodovky. V systému pak přibude řaditelná převodovka. Z

8 hlediska ladění modelu je pak možno podrobně prozkoumat proces řazení rychlostních stupňů. Potíže zde vyvolává především skutečnost, že v průběhu řazení dochází k rozpojení spojky, což vede ke změně počtu stupňů volnosti systému a následně k nespolehlivosti integrace. Výstupy modelu jsou použitelné např. pro testy akcelerace. Zatím nejdokonalejším modelem je úplné plošné schéma vozidla. Model se skládá z motoru, spojky, řaditelné (5st.) převodovky, stálého převodu, kol se skluzovými charakteristikami, a modelu dynamiky zatěžování náprav vozidla. Jde o nejúplnější model vozidla 4x2 pro potřeby výpočtu jízdní dynamiky. Pokud v rámci modelování jízdní dynamiky neřešíme problémy směrové stability vozidla, složitější model nepotřebujeme. Výsledky výpočtu akcelerace jsou v obr 3., 4., Jde o případ akcelerace sportovního vozidla, kde se výrazněji projeví jak počáteční prokluz kol, tak dynamické přitížení zadní nápravy. Závěr Naše modely jsou vyvíjeny se zřetelem pro použití při: zjištování technických parametru projektovaných vozidel vývoj regulacních zařízení a algoritmů řízení motorů výzkum a vývoj metod simulace jízdy Kromě toho je možné představit si celou řadu dalších využití vytvořených modelů I směrů vývoje celé knihovny. Přesto se již nyní ukazuje že předpoklady, vedoucí k této práci se potvrzují a je rozhodně žádoucí v práci pokračovat. Poděkování Tato práce je podporována Výzkumným Centrem Josefa Božka, č. LN00B073. Bez této podpory by byl vývoj simulačních prostředků pro modelování jízdy nemyslitelný.

9 Literatura [1] Opička, F.:Racionalizace řešení Dynamických systémů vozidel, kandidátská disertační práce, Ústav pro výzkum mototrových vozidel Praha, Listopad 1981 obr.: 1 Úplný model vozidla 4x2 obr.:2 Ovládání řazení 5st. převodovky

10 obr.: 3 průběh zrychlení při akceleraci vozidla obr.: 4 Průběh dráhy při akceleraci vozidla