بخشی از مقاله
چکیده
یکی از عوامل ایجاد لرزش در خودرو، ناهمواریهای جاده است. نوسانات سطح جاده از طریق چرخها به بدنه خودرو منتقل شده و باعث کاهش کیفیت رانندگی میگردند. موضوع اصلی این مقاله پیرامون طراحی، آنالیز و شبیهسازی سیستم تعلیق خودرو است. به منظور کاهش تکانهای خودرو یک سیستم فعال مورد بررسی قرار میگیرد. ایده اصلی برای افزایش کارآیی ترکیب سیستم تعلیق فعال با مدلهای قلاب آسمانی و سینک انرژی غیرخطی است و معیارهای شتاب بدنه خودرو، جابهجایی تعلیق و انحراف چرخها برای ارزیابی مورد استفاده قرار میگیرند. نتایج شبیهسازی ها نشان میدهد که مدل مذکور کارآیی مناسبی دارد.در طراحی کنترل کننده از عملگر هیدرولیکی استفاده می شود و با توجه به دینامیک غیرخطی عملگر هیدرولیکی، با روش کنترلی مد لغزشی و طراحی دو سطح لغزشی یک ردیابی ایدهآل انجام میگردد. نهایتا با کمک روش لیاپانوف، پایداری کنترل کننده طراحی شده اثبات میشود.
کلید واژه- لرزش در خودرو، تعلیق فعال، کنترل مد لغزشی، مدل یک چهارم تعلیق، لیاپانوف
-1 مقدمه
سیستم تعلیق در وسایل نقلیه وظیفه جداسازی بدنه خودرو از چرخها را برعهده دارد و به دو بخش مذکور اجازه میدهد تا نسبت به یکدیگر حرکت داشته باشند. سیستم تعلیق خودرو به دلیل اینکه بدنه خودرو بر آن سوار می شود و نیروهای وارده از طرف جاده را به بدنه منتقل می کند، تاثیر بسزایی در راحتی سفر و فرمانپذیری خودرو دارد. یک سیستم تعلیق با فاکتورهایی مثل فراهم آوردن قابلیت فرمانپذیری هرچه بهتر خودرو برای راننده، ایزوله سازی مسافران از ناهمواریهای سطح جاده و افزایش سطح آسایش مسافران مورد ارزیابی قرار میگیرد.نوسانات در اتومبیل به دلایل مختلفی مثل متوازن نبودن جاده، وجود نیروهای ایرودینامیک، غیریکنواختی در قرارگیری تایرها و حتی ترمزگیری ایجاد میشوند.از طرف دیگر، حفظ کیفیت رانندگی خصوصا در پیچها و هنگام تغییر جهت باعث حفظ امنیت وسیله نقلیه میگردد.
جذب این نوسانات از سطح جاده موضوع مورد بحث در این مقاله میباشد. با این هدف سابقا روش کنترلی LQRو تئوری کنترلی مقاوم H به عنوان یکی از متداولترین روشهای کنترلی در طراحی کنترلکننده سیستم تعلیق فعال خودرو مورد استفاده قرار گرفتهاند .[1,2] همچنین قبلا برای مدل خطی یک چهارم خودرو با استفاده از روش کنترل مدلغزشی PI کنترلکنندهای طراحی شده و نتایج کار با روش LQR مقایسه شده است.[3]روشهای فوق مبتنی بر مدل خطی بوده و در آنها از دینامیک عملگر هیدرولیکی که به شدت غیرخطی میباشد صرفنظر شده است. این در حالی است که غیرخطی بودن دینامیک عملگر تأثیر زیادی بر روی رفتار سیستم گذاشته و نمیتوان آن را نادیده گرفت. در این مقاله ابتدا مدل رایج یک چهارم تعلیق انتخاب شده و تقویت میگردد، سپس کنترل کننده با روش مد لغرشی طراحی شده و مورد ارزیابی قرار میگیرد.
-2 مدل یک چهارم تعلیق
معمولا یک سیستم تعلیق شامل فنرها، جذبکنندههای نوسان و یک سری رابط میباشد که وسیله نقلیه را به چرخهایش متصل میسازد. در شکل 1 یک مدل رایج از سیستم تعلیق خودرو موسوم به مدل یک چهارم تعلیق نشان داده شده است.در مدل ارائه شده Ms بیانگر جرم فنربندی شده - بدنه خودرو - و Mu بیانگر جرم فنربندی نشده - چرخها - است.بر حسب اجزای مورد استفاده برای اتصال بخش فنربندی شده و بخش فنربندی نشده سیستم تعلیق میتواند به انواع سیستمهای تعلیق غیرفعال، نیمه فعال و فعال تقسیم بندی شود. بخش اتصال وظیفه تولید نیروی کنترلی F را برعهده دارد.
-1-2 سیستم تعلیق فعال
در این سیستم یک عملگر نیرو دربخش اتصال مورد استفاده قرارمیگیرد.یک تفاوت مهم بین سیستم تعلیق غیرفعال و یک سیستم تعلیق فعال این است که سیستم تعلیق فعال میتواند انرژی را بوسیله یک عملگر نیرو کم و زیاد نماید، برخلاف غ یرفعال که فقط توانایی هدر دادن انرژی بوسیله دمپر پسیو را دارد. سطح مشخصی از کارایی و امنیت به وسیله المانهای پسیو در سیستم های تعلیق غیرفعال قابل دستیابی است اما استفاده از المانهای فعال باعث راحتی و امنیت هرچه بیشتر مسافران میشود.اضافه کردن عملگر نیروی فعال مشکلاتی را نیز به همراه دارد. به عنوان مثال این موضوع نیاز به سنسور و در نتیجه افزایش قیمت سیستم تعلیق را همراه دارد.
که درآن A1 بیانگر دامنه سیگنال ناهمواریهای جاده است. معمولا برای تشخیص کارایی وسیله نقلیه فاکتورهای شتاب بدنه خودرو ys، انحراف تعلیق ys-yu وانحراف چرخ ها yu-r مورد ارزیابی واقع میشوند. ایده اصلی سیستم تعلیق فعال طراحی المانهای اکتیو برای تولید نیروی Fa است که قابلیت تنظیم خودکار و پیوسته در شرایط مختلف جادهای را داشته باشد. شتاب جرمفنربندی شده ys برای ارائه شاخص راحتی مسافران مورد استفاده قرار میگیرد. هرچه شتاب جرم فنربندی شده کمتر باشد شاخص راحتی مسافران بهتر است.با کمی تغییر در مدل یک چهارم تعلیق خودرو و بهبود آن مدل سیستم تعلیق ترکیب شده با سینک انرژی غیرخطی و قلاب آسمانی بدست میآید که در شکل 2 نشان داده شده است.[4]
-2-2 بهبود مدل یک چهارم
آنالیز سیستم تعلیق براساس مدل یک چهارم خودرو که درشکل 1 نشان داده شده است انجام میشود. لاستیکها با فنرهای خطی با ضریب kt مدل میشود و سیستم تعلیق با نیروی F کنترل میشود که این نیرو توسط مهندسان طراحی میشود .عموما نیروی F توسط فنر خطی و یک دمپر و عملگر نیرو که ممکن است یک عملگر فعال و یا یک عملگر نیمه فعال باشد تولید میشود. r بیانگر ناهمواریهای جاده است که رفتاری مشابه یک تابع سینوسی دارد و میتواند به صورت زیر نمایش داده شود:همانطور که مشخص است سیستم تعلیق از دو بخش تشکیل شده است: بخش سینک انرژی غیرخطی و بخش قلاب آسمانی.
براساس نیروهای تولیدی بوسیله بخش سینک انرژی غیر خطی و قلاب آسمانی نیروی تولیدی از سیستم تعلیق ترکیبی را میتوان به صورت زیر نشان داد: که در آن L01 وL02 طول آزاد فنرهای خطی و غیرخطی و و ثابت های فنر میباشند. مدل یکچهارم متناظر به همراه شماتیک سیستم هیدرولیکی در شکل - 3 - ارائه شده است.معمولا، سروومکانیزمهای مکانیکی برای کنترل عملگرهای هیدرولیکی تعلیقی استفاده میشود. فشار هیدرولیکی اعمالی براین سرووها بوسیلهی یک پمپ هیدرولیکی پیستون شعاعی پر فشار تأمین میگردد .از سنسورها برای مانیتورکردن حرکات بدنه وسطح حرکت خودرو به طور پیوسته استفاده میشود واین اطلاعات جدید به کامپیوتر ارسال میگردد.
دادههای پردازش شده توسط کامپیوتر، بر روی سرووهای هیدرولیکی که کنار هر چرخ نصب شدهاند عمل میکنند. دراین زمان سیستم تعلیق نیروی مقابله کنندهای در برابر نیروهای منحرف کننده وپرتاب کننده خودرو تولید میکند.عملگرهای هیدرولیکی از بهترین گزینههای عملی با نسبت توان به وزن بالا، قیمت پایین و قابلیت تولید نیرو در یک بازه زمانی طولانی میباشد.سیستم هیدرولیکی از یک منبع فشار هیدرولیکی، یک شیر قرقرهای و یک سیلندر هیدرولیکی تشکیل میشوند. یک پمپ هیدرولیکی که به کمک اکومولاتور شارژ میشود نوسانات فشار را کاهش میدهد و به عنوان یک منبع مایع اضافه برای منبع فشار هیدرولیکی مورد استفاده قرار میگیرد.
موقعیت پیستون با تنظیم جریان روغن داخل و خارج از محفظه سیلندر تغییر می-کند. این تنظیم به وسیله ش یر قرقرهای انجام میشود. تابع دینامیکی، عملگر هیدرولیکی وشیر قرقرهای به صورت زیر می باشد:[5] که در آن A سطح مقطع فشار روی عملگر،PL فشار بار، = ̇ سرعت پیستون عملگر، F نیروی خروجی تولیدی به وسیله عملگر هیدرولیکی میباشد. پارامترهای با توجه به سطح مقطع فشار عملگر، غلظت روغن، ضریب نشتی س یلندر، ضریب تخریب سیلندر، شیب محل شیر سروو و ... تعیین می شوند.موقعیت شیرقرقره ای، ثابت زمان الکتریکی عملگر، K بهره دی سی شیر قرقرهای چهارراهه و جریان ورودی به شیر قرقرهای میباشد.براساس دانش سیستمهای هیدرولیکی روشهای کنترلی متفاوتی برای طراحی ورودی کنترلی مورد استفاده قرارمیگیرد که به عملگر هیدرولیکی اجازه میدهد تا نیروی تولیدی سیستم تعلیق ترکیبی را دنبال کند.
-3-2 معادلات سیستم دینامیکی
بر اساس مدل یک چهارم تعلیق خودرو حالات و سیستم دینامیکی مدل ساده شده یک چهارم خودرو با استفاده از قوانین نیوتون به صورت زیر است.
کنترل مد لغزشی یک کلاس از روشهای کنترلی غیرخطی - 5 - میباشد. هدف رسیدن به مسیر حالت دستگاه غیرخطی به یک سطح طراحی شده در فضای حالت و نگه داری این مسیر حالت
