Automated control system for car suspension's rigidness

Full Text

$k_S$

Развитие упруго-демпферных систем автомобиля началось с самого появления автомобиля, а исследования в этой области ведутся и по сей день. Сегодня автопроизводители всё чаще прибегают к замене классической пассивной подвески на регулируемую или, в отдельных случаях, на активную подвеску. Последняя позволяет изменять характеристики жесткости непосредственно во время движении автомобиля, что значительно улучшает комфорт и безопасность при вождении, а также, при правильном использовании и настройке, значительно снижает нагрузки на раму автомобиля и элементы самой подвески, что впоследствии приводит к увеличению срока её безотказной работы.

На данный момент существует множество систем адаптивной подвески от известных автопроизводителей, которыми они оснащают свои автомобили, однако все эти системы применяются исключительно в автомобилях премиум сегмента, что обусловлено высокой стоимостью таких систем [1]. Сегодня существует тенденция к разработке всё более доступных или же более эффективных систем адаптивной подвески.

Целью работы являлась разработка автоматизированной системы управления жесткостью подвески автомобиля или, другими словами, системы адаптивной подвески автомобиля, которая способна регулировать характеристики амортизаторов, тем самым обеспечивая все основные функции аналогичных систем. К таковым относятся: уменьшение крена корпуса автомобиля при разгоне/торможении или же повороте влево/вправо; снижение шума и вибраций, передающихся в салон автомобиля при езде путём независимого управления жесткостью каждого амортизатора; настройка жесткости подвески под определённый режим, выбираемый водителем. Также данная система должна изменять характеристики подвески в зависимости от скорости движения автомобиля, обеспечивать управление подвеской в широком диапазоне скоростей и быть как можно проще, что положительно скажется на её стоимости, надежности и ремонтопригодности.

Первостепенным вопросом при разработке адаптивной подвески оказался выбор типа исполнительного устройства.

 

Рис. 1. Теоретический принцип метода Skyhook

 

В данной работе в качестве исполнительных элементов системы были выбраны регулируемые амортизаторы с электромагнитным клапаном, в силу их более линейных характеристик при регулировании, меньшей стоимости и большей распространенности в современных автомобилях, а значит и доступности по сравнению с амортизаторами, использующими свойства магнитореологической жидкости.

Отличительной чертой разработанной системы стало применение лазерных дальномеров, которые должны определять рельеф дорожного полотна в реальном масштабе времени, а также в силу своего расположения под передним бампером автомобиля должны позволить подавать сигнал управления на исполнительные органы заблаговременно, до наезда колеса на неровность, таким образом снижая влияние апериодичности регулирующих электромагнитных клапанов, интегрированных в амортизаторы.

Метод управления

Цель любой системы управления адаптивной подвеской – это вычисление по определенному алгоритму (с помощью определенного метода) воздействий, которое необходимо подать на исполнительные элементы для обеспечения наиболее комфортного и безопасного вождения. Зачастую, используя типовую конструкцию подвески и меняя лишь закон управления, можно добиться существенного прироста производительности и эффективности работы системы в целом.

В данной работе в качестве метода управления выбран Skyhook, используемый во многих существующих системах адаптивной подвески [2]. Подробное описание данного метода приведено в работе [3]. Он был запатентован в 1974 году Карноппом. Главным образом метод направлен на сохранение неподвижного положения подрессоренных частей автомобиля в вертикальной плоскости независимо от текущих параметров дорожного покрытия. Он предназначен в первую очередь для повышения комфорта при вождении. Для изолирования кузова автомобиля от внешних колебаний мысленно представляют, что он соединен амортизатором с небом или воображаемой инерциальной системой отсчёта в виде горизонтальной линии (рис. 1).

Сила данного амортизатора зависит от его жесткости  и вертикальных скоростей  подрессоренных и неподрессоренных частей подвески $\dot{z_A }и \dot{z_R }$. Рассчитывается она по следующей формуле:

$F_{SH}=\left\{\begin{array}{c}{k}_S*\dot{z_A}, если \dot{z_A}*\left(\dot{z_A}-\dot{z_R}\right)\ge 0\\ \mathrm{0,} если \dot{z_A}*\left(\dot{z_A}-\dot{z_R}\right)<0\end{array}\right..$

Таким образом, данный метод позволяет рассчитать усилие, которое необходимо приложить к кузову автомобиля для устранения его колебаний вдоль вертикальной оси. Он является наиболее подходящим для применения в разработанной системе в силу своей простоты и эффективности. Стоит отметить, что выбор датчиков, необходимых для работы системы в большей степени обусловлен использованием метода Skyhook.

 

Рис. 2. Структурная схема системы

 

Разработка системы

В результате выполнения работы была составлена структурная схема системы, в состав которой вошли: 4 акселерометра; 4 датчика клиренса; 2 лазерных дальномера; датчик скорости движения автомобиля; кнопка управления режимами, индикатор текущего режима; электромагнитные клапаны, интегрируемые в конструкцию регулируемых амортизаторов; драйверы к ним; а также микроконтроллер в качестве управляющего устройства (рис. 2).

Помимо этого был разработан алгоритм работы всей системы, который позволяет: уменьшить крена корпуса автомобиля при разгоне/торможении или же повороте влево/вправо; снизить шум и вибрации, передающиеся в салон автомобиля при езде путём независимого управления жесткостью каждого амортизатора; настроить жесткость подвески под определённый режим, выбираемый водителем; изменять характеристики подвески в зависимости от скорости движения автомобиля.

По разработанной структурной схеме и алгоритму была выбрана элементная база и составлена принципиальная электрическая схема. В качестве управляющего устройства была выбрана платформа Arduino Mega 2560 построенная на микроконтроллере ATmega2560. Для данного устройства написана и успешно скомпилирована программа в среде Arduino IDE.

Разработка модели системы

В ходе работы также были разработаны две модели (адаптивной системы с использованием метода Skyhook и  пассивной системы) в программном пакете Amesim для того, чтобы оценить общую эффективность работы разработанной системы, найти её оптимальные параметры, а также для наглядного представления работы адаптивной подвески и сравнения её с пассивной подвеской. Модели содержали в себе элементы планарной механики, имитирующие подрессоренную четверть массы автомобиля, датчики вертикальной скорости корпуса автомобиля и колеса, а также звенья цепи управления (рис.3). Возмущающее воздействие для каждой модели создавалось посредством гидроцилиндра, который управлялся с помощью пропорционального распределителя. На вход распределителя были поданы случайные сигналы различной частоты и амплитуды, а также трапецеидальный сигнал. Основные параметры моделей выбраны в соответствии с данными, приведенными в работе [4] и представлены в таблице 1.

 

Таблица 1

Основные параметры моделей

Параметр	Адаптивная модель	Пассивная модель
Подрес. масса $m_A$, кг	350	350
Неподрес. масса $m_R$, кг	25	25
Жесткость пружин $c_A$, $\frac{H}{м}$	22000	22000
Коэф. демпфирования $k_A$, $\frac{H*с}{м}$	300…3000	1200
Коэф. Skyhook $k_S$, $\frac{H*с}{м}$	1900	–

 

Рис. 3. Внешний вид окна разработки скетча

 

Рис. 4. Участки отрыва колеса от дорожного покрытия

 

Результаты испытаний моделей

В результате проведения трёх серий экспериментов были получены зависимости вертикальных перемещений и ускорений подрессоренной массы от времени для каждой модели при различных возмущающих воздействиях. Данные зависимости, полученные для разработанной адаптивной системы, были сравнены с аналогичными зависимостями, полученными для пассивной подвески.

При сравнении был выявлен наиболее подходящий диапазон регулирования (300–3000 $\frac{H*с}{м}$), который позволяет добиться не только хорошего демпфирования низкочастотных колебаний подрессоренных частей автомобиля, но и не допускает повышения уровня высокочастотных вибраций, передаваемых на корпус через подвеску.

 

Рис. 5. Отрыв колеса и контакт колеса с дорожным покрытием

 

Таким образом, можно сделать вывод о том, что разработанная система обеспечивает больший комфорт и увеличивает безопасность при движении по сравнению с обычной пассивной подвесной системой автомобиля.

Заключение

В результате выполнения данной работы была подготовлена вся теоретическая база, необходимая для конструирования автоматизированной системы управления жесткостью подвески автомобиля. Также была создана и успешно скомпилирована программа для контроллера. Помимо этого было проведено моделирование системы в программном пакете Amesim, которое позволило подобрать необходимые коэффициенты для управляющего алгоритма и доказало эффективность разработанной адаптивной системы при всех режимах её работы по сравнению с пассивной подвесной системой. Под эффективностью понимается повышение комфорта и безопасности во время движения автомобиля. Ещё одним важным моментом стало снижение нагрузок, которым подвергаются элементы подвески при использовании разработанной системы. Так, по данным графиков, продемонстрированных в третьей серии экспериментов, пиковые ускорения подрессоренной массы снизились на 15-17%, при этом сами графики становятся более гладкими, что говорит также о снижении ударных нагрузок.

Результаты данной работы могут быть в дальнейшем использованы для построения разработанной автоматизированной системы управления жесткостью подвески автомобиля, и её установки на транспортное средство. Стоимость данной системы при этом будет аналогична стоимости подобных готовых систем в связи с использованием аналогичной элементной базы, однако, за счёт использования лазерных дальномеров, отсутствующих в других системах, предполагается увеличение эффективности работы системы при больших скоростях движения автомобиля.

В дальнейшем планируется разработка более подробной модели системы, которая будет описывать весь автомобиль в целом и позволит подбирать конкретные параметры и коэффициенты системы управления для конкретного автомобиля.

About the authors

Mirat Elverovich Azizov

Samara University

Author for correspondence.
Email: mirat.azizov@mail.ru

student IV course of the Institute of engines and power plants

Russian Federation, 443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

Yuri Arkad'yevich Fedotov

Samara University

Email: fedyuri1@rambler.ru

associate professor of the Department of Power Plant Automatic Systems of the Samara University

Russian Federation, 443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

Supplementary files