CELOWOŚĆ WYKORZYSTANIA I PROBLEMATYKA STEROWANIA HAMULCA CIERNEGO NA STANOWISKU DO SYMULACJI ODTWARZAJĄCEJ DYNAMIKI UKŁADU NAPĘDOWEGO GRZEGORZ ŚLASKI 1 Politechnika Poznańska Streszczenie W artykule została przedstawiona krótko zrealizowana praktycznie koncepcja stanowiskowej symulacji odtwarzającej dynamiki układu napędowego samochodu osobowego z automatyczną skrzynią biegów. Symulacja ta zrealizowana została na stanowisku, w którym do symulacji oporów ruchu samochodu, zredukowanych do wału napędowego, wykorzystano koło zamachowe oraz dwa hamulce cierny tarczowy i elektrowirowy. Bardziej szczegółowo została opisana celowość wykorzystania hamulca tarczowego wraz z opisem zasad doboru jego parametrów oraz omówieniem zastosowanego układu wykonawczego sterowania tym hamulcem. Omówiono także specyficzne dla hamulca tarczowego problemy związane ze sterowaniem tym hamulcem w sposób automatyczny. Przedstawiono problemy związane z długim czasem uruchamiania oraz zmiennością momentu tarcia, powodowaną zmianami współczynnika tarcia wraz z prędkością obrotową tarcz i ich temperaturą. Zaprezentowano zastosowane metody ich rozwiązania poprzez odpowiedni algorytm sterowania momentem w układzie otwartym, na podstawie prognozowania wymaganego opóźnienia oraz wykorzystania predefiniowanych poziomów wysterowania dla faz zatrzymania pojazdu. W końcowej części artykułu został zaprezentowany także przykładowy wynik realizacji tego sterowania na zbudowanym stanowisku dla wybranego przebiegu zarejestrowanych jazd testowych w ruchu ulicznym. Słowa kluczowe: eksperymentalne badania dynamiki samochodu, automatyczna skrzynia biegów, symulacja stanowiskowa, hamulec tarczowy, sterowanie 1. Wprowadzenie W kilku wcześniejszych pracach zrealizowanych wraz z J. Walkowiakiem [4,5,6], została zaprezentowana idea oraz praktyczne rozwiązanie zagadnienia stanowiskowej symulacji 1 Politechnika Poznańska, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań, e-mail: Grzegorz.Slaski@put.poznan.pl, tel. 61 665 22 22
150 Grzegorz Ślaski odtwarzającej dynamiki układu napędowego z automatyczną skrzynią biegów w warunkach laboratoryjnych. Koncepcja ta zilustrowana na rys. 1. zakłada możliwość odtworzenia w warunkach laboratoryjnych warunków pracy układu napędowego z automatyczną skrzynią biegów (w odniesieniu do silnika oraz samej skrzyni biegów) występujących w typowych warunkach eksploatacyjnych. Niezwykle istotnym faktem jest możliwość odtworzenia warunków pracy układu napędowego w jeździe miejskiej, cechującej się dużą częstością występowania procesów przejściowych związanych z wieloma procesami ruszania, zatrzymywania pojazdu oraz zmian przełożeń. Ten ostatni aspekt jest szczególnie ważny z punktu widzenia projektowania układu sterowania zmianą przełożeń automatycznej skrzyni biegów, który musi uwzględniać takie elementy jak [3]: osiągi samochodu (prędkość maksymalną, zdolność pokonywania wzniesień i intensywność przyspieszania), zużycie paliwa, emisję szkodliwych składników spalin czy też komfort jazdy związany z jakością procesu zmiany przełożeń. Są to zagadnienia, które poruszane są w wielu pracach naukowych. Wśród nich są też takie, które podejmują zagadnienie testowania zarówno całych układów napędowych, jak i ich komponentów w warunkach badań symulacyjnych stanowiskowych [9, 10]. J. Walkowiak wraz z autorem niniejszego artykułu zaproponował i zrealizował jedną z wielu możliwych koncepcji stanowiska do stanowiskowej symulacji pracy układu napędowego z automatyczną skrzynią biegów, wg koncepcji zakładającej wykorzystanie stosunkowo niedrogich i dostępnych komponentów. Realizacja ta została w wielu szczegółach opisana w kilku pracach autorów [4,5,8]. Koncepcja realizacji stanowiskowej symulacji odtwarzającej (rys.1) zakłada prowadzenie symulacji na bazie danych zebranych podczas rzeczywistej eksploatacji pojazdu, a dotyczących dwóch zmiennych stopnia otwarcia przepustnicy silnika oraz prędkości obrotowej wału napędowego, zależnej w większości warunków badań liniowo od prędkości samochodu. Rys. 1. Schemat sterowania pracą stanowiska dla potrzeb symulacji odtwarzającej [4]
Celowość wykorzystania i problematyka sterowania hamulca ciernego na stanowisku do symulacji odtwarzającej dynamiki układu napędowego 151 Układ sterujący stanowiska regulując w sposób nadążny kąt otwarcia przepustnicy silnika na stanowisku (w oparciu o zebrane dane z badań drogowych), jednocześnie steruje poziomem momentu oporów ruchu obciążającego układ napędowy tak, aby w efekcie uzyskać zgodność z zapisanym w trakcie badań przebiegiem zmian prędkości obrotowej wału napędowego jest to w istocie regulacja nadążna prędkości obrotowej wału napędowego. Do generowania momentu oporów ruchu zostały wykorzystane trzy podzespoły wchodzące w skład układu generowania momentu oporów ruchu (rys.2): koło zamachowe symulujące fizycznie bezwładność samochodu jego wartość została obliczona poprzez redukcję masy samochodu do osi wału napędowego na podstawie założenia o równości energii kinetycznych samochodu w ruchu i koła zamachowego na stanowisku symulacyjnym, hamulec elektrowirowy sterowany w sposób płynny poprzez zastosowanie modulacji szerokości impulsu sygnału sterującego (sygnał PWM), hamulec tarczowy umożliwiający zatrzymanie koła zamachowego oraz generowanie momentu reakcyjnego w stosunku do tzw. momentu wleczenia przekładni hydrokinetycznej. Rys. 2 Widok zbudowanego stanowiska badawczego [4]: 1 silnik, 2 panel kontrolny, 3 automatyczna skrzynia biegów, 4 wał napędowy, 5 momentomierz na wale, 6 masa wirująca wraz z obudową, 7 reduktor, 8 hamulec elektrowirowy, 9 sprzęgło przeciążeniowe, 10 zespół hamulców ciernych, 11 czujnik momentu hamulców ciernych, 12 czujnik momentu hamulca elektrowirowego W niniejszym artykule zwrócono uwagę na wykorzystanie do generowania części momentu oporów ruchu samochodu hamulca tarczowego, który jest w wielu aspektach sterowania rozwiązaniem problematycznym. Dlatego też w artykule została omówiona celowość zastosowania tego hamulca na stanowisku, a także zostały wskazane problemy wynikające z jego zastosowania. W ostatniej części artykułu przedstawiono zastosowane rozwiązanie omówionych problemów.
152 Grzegorz Ślaski 2. Celowość wykorzystania hamulca ciernego W pracach poprzedzających opracowanie koncepcji stanowiska zrealizowano szereg badań eksperymentalnych w celu analizy jakościowej i ilościowej obciążeń układu napędowego momentem oporów ruchu samochodu [7]. W ramach prowadzonej analizy dokonano oceny częstości występowania wartości momentu obrotowego w przedziałach od -200 do 1000 Nm oraz w przedziałach eksploatacyjnych prędkości obrotowych (rys. 3). Cechą charakterystyczną eksploatacji miejskiej jest ograniczona prędkość wału napędowego nieprzekraczająca 2000 obr/min, a w większości przypadków mieszcząca się poniżej 1000 obr/min, a także częste obciążenie wału napędowego momentem około 150 Nm podczas postoju samochodu. Przyczyną powstawania takiego momentu jest charakterystyka pracy przekładni hydrokinetycznej, która wzmacnia moment wejściowy proporcjonalnie do współczynnika przełożenia dynamicznego przekładni, pośrednio zależnego od przełożenia kinematycznego: (1) gdzie: prędkość kątowa pompy równa prędkości kątowej silnika [rad/s], prędkość kątowa turbiny równa prędkości kątowej wału wejściowego przekładni planetarnej [rad/s]. Rys. 3. Widmo obciążeń układu napędowego i częstość występowania poszczególnych poziomów momentu [7]
Celowość wykorzystania i problematyka sterowania hamulca ciernego na stanowisku do symulacji odtwarzającej dynamiki układu napędowego 153 Podczas wymuszonego zatrzymania samochodu prędkość kątowa turbiny spada do zera, gdyż w trybie D pracy przekładni (załączona jazda do przodu) w większości przekładni występuje stan sprzęgnięcia poprzez elementy przekładni planetarnej oraz sprzęgła turbiny z wałem wyjściowym przekładni. To w efekcie powoduje spadek wartości przełożenia kinematycznego a tym samym wzrost przełożenia dynamicznego i d, które osiąga największe wartości dla i k = 0. Dodatkowo przeprowadzona analiza charakterystyki hamulca elektrowirowego wykazała, że jest on w stanie zapewnić moment hamujący na poziomie maksymalnie ok. 1500 Nm, co przy założonym momencie bezwładności zastosowanego na stanowisku koła zamachowego pozwoliłoby osiągnąć maksymalne jego opóźnienia kątowe odpowiadające opóźnieniu samochodu podczas hamowania rzędu 0,3 g. Stąd w celu odtworzenia procesu hamowania samochodu z opóźnieniem większym od tego poziomu, konieczne okazało się również zastosowanie hamulca o większym momencie hamowania niż ten możliwy do uzyskania przy pracy hamulca elektrowirowego. Na podstawie zaobserwowanych zależności zostały sformułowane następujące wymagania funkcjonalne wobec hamulca tarczowego, których nie można uzyskać wykorzystując na stanowisku tylko hamulec elektrowirowy: możliwość utrzymywania koła zamachowego w stanie zatrzymania pomimo pracy silnika na biegu jałowym i utrzymywania programu jazdy D w skrzyni biegów, możliwość realizacji procesu hamowania koła zamachowego z opóźnieniem odpowiadającym hamowaniu samochodu z opóźnieniem 1 g. 3. Dobór hamulca ciernego Minimalne wymagania stawiane hamulcom ciernym na stanowisku to wytworzenie momentu hamującego 170 Nm większego od momentu wleczenia przekładni hydrokinetycznej. Drugi warunek wytworzenie momentu hamującego zdolnego spowalniać koła zamachowe z opóźnieniem kątowym odpowiadającym hamowaniu samochodu z opóźnieniem 1 g daje wartość wymaganego momentu ok. 4500 Nm Po wykonaniu odpowiednich obliczeń na stanowisku zastosowano układ dwóch hamulców tarczowych pracujących razem, pochodzących z samochodu osobowego, którego prędkość maksymalna wynosi 250km/h czyli 69,4m/s. Ta prędkość stała się podstawą przyjęcia granicy prędkości obrotowej tarcz, do której mogą one pracować bezpiecznie. Przy założeniu promienia dynamicznego opony r d =323 mm, oszacowano maksymalną prędkość tarcz na 2052 obr/min. Aby nie przekroczyć tej wartości, zespół hamulców tarczowych znajduje się za reduktorem pozwalającym nie przekraczać tej wartości do prędkości obrotowej koła zamachowego równej ok. 5580 obr/min.
154 Grzegorz Ślaski 4. Układ uruchamiania hamulca ciernego Jako układ uruchamiania hamulców wykorzystano uproszczony układ hamulcowy samochodu z generowaniem siły nacisku na pedał hamulca za pomocą siłownika pneumatycznego, zasilanego powietrzem pod ciśnieniem sterowanym zaworem proporcjonalnym sterowanym sygnałem elektrycznym (rys. 4). Złożony układ uruchamiania stosunkowo prosty w budowie jest jednocześnie trudny w sterowaniu. Wynika to z faktu wpływu na odpowiedź tego układu na sterowanie charakterystyk wszystkich jego połączonych szeregowo elementów zaworu proporcjonalnego, siłownika pneumatycznego, zaworu podciśnieniowego urządzenia wspomagającego oraz charakterystyki pompy i siłowników w zaciskach hamulców. Dla sterowania momentem na stanowisku kluczowa jest odpowiedź skokowa układu która wskazuje na fakt opóźnienia narastania siły hamowania w stosunku do sygnału sterującego, rzędu 0,3 s (rys. 6). To całkowicie wyklucza sterowanie w pętli zamkniętej. Dlatego zdecydowano się wykorzystać sterowanie otwarte, którego realizację opisano w kolejnym punkcie. Rys. 4. Pneumatyczno-hydrauliczny układ uruchamiania hamulca 5. Zmienność momentu generowanego przez hamulec tarczowy Kolejnym zagadnieniem utrudniającym sterownie hamulcem tarczowym, także w sterowaniu otwartym, jest zmienność współczynnika tarcia pomiędzy okładzinami ciernymi a tarczą hamulcową, co powoduje zmienność momentu hamującego przy tym samym ciśnieniu wynikającym ze stałego poziomu sygnału sterującego. Problem ten związany jest ze zmiennością współczynnika tarcia, powiązaną zarówno ze zmianami prędkości poślizgu elementu ciernego względem tarczy, jak i ze zmianami temperatury obu elementów. Zagadnienie to omawiane jest w wielu pracach naukowych i jest ono jednym z głównych problemów sterowania. Jednym z przykładów może być pozycja [1], w której przedstawiono charakterystykę zmian współczynnika tarcia w funkcji prędkości poślizgu, wg której zmiana współczynnika
Celowość wykorzystania i problematyka sterowania hamulca ciernego na stanowisku do symulacji odtwarzającej dynamiki układu napędowego 155 tarcia pomiędzy prędkością 60 m/s a 5 m/s była liniowo rosnąca od wartości ok. 0,4 do około 0,58. Z kolei w pozycji [2] przedstawiono zmienność współczynnika tarcia pomiędzy okładzinami a tarczą w funkcji temperatury. Podczas zmiany temperatury z około 25 0 C do około 350 0 C dochodzi do liniowego zmniejszenia współczynnika tarcia z wartości 0,48 do wartości 0,37. Ilustruje to wykres przedstawiony na rys. 5. Rys. 5. Przykładowy przebieg zmian współczynnika tarcia wraz ze zmianą temperatury [2] Zależność zmian współczynnika tarcia od temperatury oraz prędkości zależy od konkretnych własności pary ciernej i przedstawione przykłady mają tylko charakter jakościowy w stosunku do badanego układu zespołu hamulców tarczowych. Podczas przeprowadzonej próby wymuszenia skokowego zadanego jako wejście dla układu sterującego hamulcem tarczowym, otrzymano zmienność momentu hamowania przy stałym poziomie sygnału sterującego, tak jak przedstawiono to na rys. 6. Widoczny jest długi czas zwłoki układu wykonawczego w odpowiedzi na sterowanie oraz około 15 % wzrost momentu hamowania wraz ze zmniejszeniem prędkości i przyrostem temperatury tarcz hamulców. Rys. 6. Zmienność momentu hamowania hamulca tarczowego podczas próby wymuszenia skokowego
156 Grzegorz Ślaski Rys. 7. Blok sterowania hamulcem tarczowym 6. Sterowanie hamulcem tarczowym Do sterowania hamulcem tarczowym opracowano strategię sterowania, której zalgorytmizowaną postać przedstawiono w postaci struktury bloku sterowania hamulcem tarczowym rys.7. Blok ten zawiera moduły związane z generowaniem sygnału prędkości z badań, których zadaniem jest w trakcie symulacji podawanie zmieniających się wraz z upływem czasu wartości prędkości zarejestrowanych dla kolejnych chwil w trakcie badań drogowych. Jednak oprócz generowania sygnału prędkości dodatkowo z pewnym wyprzedzeniem czasowym, generowany jest sygnał wartości opóźnienia liczonego jako iloraz zmiany prędkości w określonym odcinku czasu. Za te działania odpowiadają bloki predk_z_badan_on oraz predk_z_badan_off. Od wartości aktualnego czasu symulacji w czasie rzeczywistym odejmowana jest wartość czasu w chwili aktywowania bloku predk_z_badan_on, która jest tożsama z chwilą dezaktywacji bloku predk_z_badan_off. Wewnątrz bloku predk_z_badan_on zastosowano dodatkowo dwa bloki pozwalające z wektora prędkości z badań odczytać wartość prędkości z pewnym wyprzedzeniem w stosunku do aktualnego czasu symulacji. Pierwsze wyprzedzenie wykorzystywane jest do zniwelowania zwłoki czasowej sterowania układem uruchamiania zespołu hamulców tarczowych. Drugi wewnętrzny blok przyspieszający służy obliczeniu zmiany prędkości w czasie o jaki przyspieszany jest trzeci odczyt prędkości. Pozwala to dokonać obliczenia uśrednionego w tym czasie wyprzedzenia opóźnienia, które następnie staje się podstawą do obliczenia poziomu sygnału sterującego momentem hamulca tarczowego sygnał opoz_na_sterow. Obliczona wartość opóźnienia zamieniana jest na poziom sygnału sterującego. Realizowane
Celowość wykorzystania i problematyka sterowania hamulca ciernego na stanowisku do symulacji odtwarzającej dynamiki układu napędowego 157 jest to w oparciu o charakterystykę ograniczenia maksymalnego momentu hamującego do poziomu pozwalającego hamować koło zamachowe z opóźnieniem odpowiadającym wartości 1 g (9,8 m/s 2 ). Dlatego wyliczane wartości opóźnienia zamieniane mogą być w prosty sposób na poziom sygnału sterującego. Ze względu na sporą bezwładność czasową układu sterownia zespołem hamulców ciernych, obliczany sygnał kwantowany jest w 20 poziomach, aby zmniejszyć zbędne w procesie regulacji drobne wahania momentu hamującego. To założenie połączone zostało z przyjęciem zasady hamowania hamulcem tarczowym poniżej wymaganego poziomu i uzupełnianie momentu hamującego hamulcem elektrowirowym. W tym celu w strukturze bloku umieszczono stałą wartość odejmowaną od obliczonego momentu, określoną jako element o nazwie zmniejszenie_hamowania. Rys. 8. Wynik regulacji prędkości i generowanych poziomów sterowania hamulcem tarczowym Drugim trybem pracy hamulca tarczowego jest realizacja dohamowania rozumianego jako stopniowe zwiększanie momentu hamującego aż do zatrzymania ruchu koła zamachowego, podtrzymywanego przez tzw. moment wleczenia przekładni hydrokinetycznej. Realizację tej funkcji uzyskano poprzez określenie warunków uruchomienia funkcji dohamowania i zatrzymania. Warunki te, to zamknięcie przepustnicy przy jednoczesnym stwierdzeniu prędkości pojazdu mniejszej od ustalonej wartości progowej. Po wystąpieniu tych warunków wartość poziomu sygnału sterującego momentem hamującym zespołu hamulców tarczowych wynika z wartości określonej jako poziom wstępny (wartość ta eliminuje część skoku jałowego) oraz z wartości generowanej przez blok dohamowanie, który po uruchomieniu powoduje narastanie wraz z upływem czasu poziomu sygnału sterującego. Wykorzystanie sumy dwóch sygnałów stałego i narastającego z czasem pozwoliło na płynne narastanie momentu, a tym samym płynne zatrzymanie ruchu koła zamachowego z mniejszymi obciążeniami układu mechanicznego stanowiska. Wynik regulacji dla hamulca tarczowego przedstawiono na rys. 8. Widoczne są zarówno
158 Grzegorz Ślaski fazy wykorzystania hamulca tarczowego w procesie hamowania (ok. 22 sekundy oraz 50, 90 i 120) jak i w procesie postoju samochodu (od 50 do 80 sekundy). 6. Podsumowanie Przedstawiona i zrealizowana praktycznie koncepcja sterowania hamulcem tarczowym związana była z koniecznością zapewnienia możliwości zatrzymywania ruchu koła zamachowego, a dodatkowo uzupełniania momentu hamującego podczas intensywnego hamowania. Przeprowadzone badania wstępne a następnie weryfikacyjne sterowania pokazały, iż sterowanie hamulcem tarczowym w sposób automatyczny jest trudne i wymaga skorzystania z metod wykorzystujących do sterowania szacowanie potrzebnego momentu i sterowanie w układzie otwartym z punktu widzenia wartości momentu hamującego. Jednak w połączeniu z wykorzystaniem hamulca elektrowirowego jako głównego sterowanego hamulca i tarczowego jako uzupełniającego, możliwe jest efektywne wykorzystanie także hamulca tarczowego w sterowaniu automatycznym. Podobne zagadnienie do przedstawionego problemu, występuje w układach sterowania momentem w układzie hamulcowym pojazdu korzystającego z hamowania rekuperacyjnego łączonego z hamowaniem hamulcem tarczowym. Literatura [1] BREUER B., BILL H.K.: Brake Technology Handbook, Warrendale, SAE 2008 [2] GENTA G. MORELLO L.: The automotive Chassis, Volume 1: Components Design, Springer, 2009 [3] LECHNER G. NAUNHEIMER H.: Automotive Transmissions Fundamentals, Selection, Design and Application, Springer-Verlag, Berlin, 1999, [4] ŚLASKI G., WALKOWIAK J.: Test bench simulation reproducing the drivetrain dynamics of a car with automatic transmission control and results of experimental tests, The Archives of Automotive Engineering, 3/2011(53), [5] ŚLASKI G., WALKOWIAK J.: Sterowanie w czasie rzeczywistym symulacją stanowiskową odtwarzającą obciążenia układu napędowego z automatyczną skrzynią biegów, Logistyka 3/2011 [6] ŚLASKI G., WALKOWIAK J.:, Symulacja pracy układu wykonawczego i sterującego stanowiska badawczego układu napędowego samochodu z automatyczna skrzynią biegów, materiały IX Międzynarodowej Konferencji Hamulcowej, Łódź 2009 [7] ŚLASKI G., WALERJAŃCZYK W., WALKOWIAK J.: Drogowe badania warunków pracy układu napędowego z automatyczną skrzynią biegów dla stanowiskowej symulacji odtwarzającej, Politechnika Radomska - Prace Naukowe Transport nr 1/27/2009, Logistyka 3/2009. [8] WALKOWIAK J.: Budowa i właściwości funkcjonalne stanowiska badawczego układu napędowego z automatyczną skrzynią biegów, Logistyka 6/2010. [9] WAELTERMANN P., MICHALSKY T., HELD J.: Hardware-in-the-Loop Testing in Racing Applications, Proceedings of SAE Motor Sport Engineering Conference & Exhibition 2004, 30.11 2.12.04 Dearborn, [10] YAO L., CHU L., CHEN J., CHAO L., GUO J.: Integrative Braking Control System for Electric Vehicles, Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 2011 IEEE [11] YIMING M., HUIYAN C., JIANWEI G., HUI J., YANG W., HONGLEI L.: Design and Development of a Real-time Dynamic AMT Test Bench for Simulating Total Road Forces of Vehicle, Proceedings of 2008 SAE International Powertrains, Fuels and Lubricants Congress, June 2008, Shanghai, China.