بخشی از مقاله
-1 مقدمه
پیشرفت تکنولوژی در صنعت خودروسازی در سه دهه اخیر و اهمیت موضوع ایمنی برای خودروسازان موجب شده تا امروزه انواع سیستمهای پیشرفته الکترونیکی - مکاترونیک - که رفتار خودرو را تحت کنترل خود دارند به اجزایی جدا ناپذیر از قطعات خودرو تبدیل شوند و با تاثیر خود به روی رفتار خودرو، یکی از عوامل تاثیرگذار در خرید و انتخاب خودرو به حساب بیایند. امروزه حجم قابل توجهی از تحقیقات و توسعههای ناشی از آن در صنعت خودرو در راستای حفظ پایداری و بهبود فرمانپذیری خودرو در شرایط بحرانی صورت میگیرد.
تا پیش از ظهور سیستمهای ایمنی فعال، حفظ و کنترل پایداری خودرو برعهده راننده بود و مهارت رانندگی تنها عامل جلوگیری از تصادفات به شمار میرفت. اگر رانندگان خودرو در دو دهه گذشته به نصب ترمز ضدقفل به عنوان یک تجهیز ایمنی جهت جلوگیری از تصادف نگاه میکردند، امروز توقعشان با وجود کنترلکننده های الکترونیکی تا به آن حد بالا رفته است که با این سامانه ها به دنبال حفظ تعادل خودروی خود نیز می باشند.
با توجه به اینکه بخش عمده نیروهای وارد بر خودرو از طریق تایرها ایجاد میشود و نیروی هر تایر حول مرکز جرم خودرو تولید گشتاور چرخشی مینماید، بنابراین کنترل گشتاور چرخشی خودرو، رابطه نزدیکی با ایجاد نیروهای طولی و عرضی در تایرها دارد. نیروی طولی در تایرها با اعمال گشتاور رانشی یا ترمزی و تولید لغزش طولی در تایرها ایجاد میگردد، در حالیکه نیروی عرضی با اعمال زاویه فرمان و ایجاد زاویه لغزش در تایرها تولید میگردد. بنابراین برای کنترل گشتاور چرخشی در خودرو میتوان از طریق ایجاد گشتاور ترمزی، رانشی و یا زاویه فرمان در هریک از تایرها عمل نمود. این سه روش اساس سیستمهای کنترل پایداری چرخشی را تشکیل میدهند. از جمله سیستمهای کنترل پایداری با استفاده از نیروی عرضی تایرها، سیستم فرمان فعال خودرو میباشد.
فرمان فعال زاویه فرمان چرخهای جلو، عقب و یا هر دو را با توجه به دینامیک جانبی خودرو و خواست راننده کنترل میکند .[1] ترمزگیری نامتقارن به دلیل استفاده از زیر سیستم ترمز ضدقفل و موثر بودن آن در حفظ پایداری خودرو در شرایط بحرانی، موثرترین و متداولترین روش در ایجاد گشتاور چرخشی در خودروها میباشد .[2] یکی دیگر از راههای تولید گشتاور چرخشی استفاده از سیستم دیفرانسیل فعال میباشد.
همانطور که در شکل - 1 - نشان داده شده است، اعمال گشتاور رانشی نامتقارن در چرخهای محرک نیز باعث ایجاد گشتاور چرخشی میشود. وجود این مکانیزم در هنگام شتابگیری خودرو علاوه بر پایداری سیستم، باعث شتاب گیری بیشتر خودرو نیز میشود. این نکته مهمترین مزیت دیفرانسیل فعال نسبت به سیستمهای متداول کنترل پایداری را نشان میدهد که با ترمزگیری باعث افت سرعت طولی میشوند .[3]
Tomari و همکاران [4] در سال 2006 چگونگی استفاده همزمان از ترمز و دیفرانسیل فعال برای اعمال نیروی رانشی و ترمزی در خودرو چهارچرخ محرک هوندا را شرح میدهند. در این خودرو دیفرانسیل مرکزی از نوع چرخدنده سیارهای و دیفرانسیل عقب از نوع لغزش محدود الکتریکی است. Rajesh Rajmani و همکاران [5] در سال 2006 برای کنترل دینامیکی خودرو از کوپلینگ مرکزی و دیفرانسیل فعال عقب استفاده نمودهاند.
این تحقیق متمرکز بر مدل سازی دیفرانسیل در یک خودرو جلومحرک است که برحسب نیاز به چهارچرخ محرک تبدیل میشود. در واقع کنترل گشتاور چرخشی از طریق توزیع نیروی رانشی در هر چرخ انجام میپذیرد. کوپلینگ مرکزی و دیفرانسیل عقب که دارای کلاچهای الکتریکی هستند، نیروی رانشی را به هر چرخ منتقل میکنند. [6] Lee در سال 2006 یک سیستم چهار چرخ محرک با استفاده از دیفرانسیل مرکزی لغزش محدود بدون کلاچ CC-LSD، جهت بهبود کنترل نیروی رانشی معرفی نمودند.
در این سیستم از یک چرخدنده سیارهای و یک Gerotor جهت تقسیم گشتاور بین محور جلو و عقب خودرو استفاده میگردد. از یک کنترلر PI جهت محاسبه ورودی کنترلی که در این سیستم فشار ورودی به پمپ است، استفاده شده است. شبیه سازیها نشان میدهد که خودروهای مجهز به سیستم CC-LSD دارای نی روی رانشی بیشتری نسبت به خودروهای عقب محرک میباشند. Canale و همکاران [7] در سال 2007، یک کنترل مقاوم برای سیستم کنترل پایداری چرخشی خودرو براساس روش کنترل داخلی موتور - IMC - معرفی نمودند. شبیهسازیها با مدل چهارده درجه آزادی خودرو بهبود قابل توجهی را در پایداری خودرو در شرایط خطرناک مانند حرکت در جاده با اصطکاک پایین در خودرو مجهز به این سیستم نشان میدهد.
Rubin و همکاران [8] در تحقیقی در سال 2013 به طراحی کنترلر مد لغزشی برای سیستم دیفرانسیل فعال برا ی کنترل پایداری چرخشی خودرو پرداختند. شبیهسازی با نرم افزار CarSim نشان داد که کنترل طراحی شده، پایداری خودرو را در شتابگیری در سر پیچها افزایش میدهد. در این مقاله، هدف طراحی یک سیستم کنترل هوشمند یکپارچه برای گشتاور چرخشی مستقیم ناشی از دیفرانسیل فعال در چرخهای عقب و ترمزگیری در چرخهای جلو میباشد بهطوریکه این کنترلر بتواند مقادیر مطلوب سرعت زاویهای چرخشی و زاویه لغزش جانبی خودرو را تعقیب نماید و در ضمن با برطرف نمودن ضعفهای ناشی از دو سیستم کنترل فرمان فعال و گشتاور چرخشی مستقیم، عملکرد آنها و در نتیجه پایداری و فرمانپذیری خودرو را بهبود بخشد.
سیستم کنترل یکپارچه که با استفاده از روش کنترل بهینه طراحی میگردد، با استفاده از سرعت زاویهای چرخشی و زاویه لغزش جانبی واقعی و مطلوب خودرو به عنوان ورودی کنترلر، گشتاور انتقالی دیفرانسیل عقب و گشتاور ترمزی چرخهای جلو را برای تعقیب مقادیر مطلوب تعیین میکند. در واقع خودرو عقبمحرک است و ترمزگیری اختلافی فقط در چرخهای جلو صورت میپذیرد. گشتاور رانشی چرخهای عقب با توجه به گشتاور موتور و گشتاور انتقالی در دیفرانسیل تعیین میشود. در واقع کلاچ نصب شده در دیفرانسیل امکان انتقال تمام گشتاور موتور را به چرخ چپ و یا راست میسر میسازد. در انتها کارایی کنترلر طراحی شده در تعقیب مقادیر مطلوب سرعت زاویهای چرخشی مورد بررسی قرار میگیرد و در پایان، جمع بندی و نتیجه بدست آمده در این مقاله ارائه میگردد.
-2 مدلسازی خودرو
جهت مدل سازی خودرو از یک مدل دینامیکی با 9 درجه آزادی استفاده شده است.
-1-2 مدلسازی تایر
برای مدل سازی تایر از مدل غیرخطی فرمول جادویی با استفاده از لغزش طولی، زاویه لغزش، زاویه کمبر و نیروی عمودی تایر به عنوان ورودی، نیروهای طولی، عرضی و گشتاور همسوگر تایر با در نظر گرفتن لغزش ترکیبی که از بهترین مدلهای غیرخطی برای مدلسازی تایر است با شرح جزئیات آن در مرجع [10] استفاده شده است. علت به کارگیری مدل ترکیبی اعمال محدودیت تولید نیروی تایر در هنگامی است که نیروهای طولی و جانبی تایر به طور همزمان تولید میگردد.
-2-2 مدلسازی دیفرانسیل
دیفرانسیل به کار رفته در این تحقیق یک دیفرانسیل معمولی به اضافه دو کلاچ خشک الکترومغناطیسی است. استفاده از این کلاچها دیفرانسیل را قادر میسازد که گشتاور هر محور را به طور مستقل تحت کنترل قرار دهد. شماتیک این سیستم در شکل - 2 - دیده میشود. در این تحقیق اطلاعات مربوط به گشتاور-دور یک موتور بنزینی در کل حوزه کاری آن مورد استفاده قرار میگیرد. این اطلاعات ب ه صورت منحنی های گشتاور در دریچه های مختلف در دست است.
-3 طراحی کنترلر
برای طراحی کنترلر از مدل چهار درجه آزادی خطی استفاده شده است. کنترلر از نوع دو لایهای است که لایه فوقانی با استفاده از تکنیک کنترلر بهینه مقادیر گشتاور کلاچگیری دیفرانسیل عقب و گشتاور چرخشی تولید شده توسط سیستم ترمز چرخهای جلو را جهت تعقیب رفتار دینامیکی مطلوب خودرو، به زیرسیستمها اعلام میکند. هدف کنترلر لایه اول انطباق حداکثری رفتار خودروی واقعی بر رفتار مطلوب میباشد.
