6. Algorytm doboru poziomu tłumienia maksymalizującego komfort jazdy
6.1 Analizy literatury w zakresie metodologii doboru tłumienia dla maksymalizacji komfortu jazdy
Analiza literatury przedstawiona w rozdziale 1.2.1 wykazała, że dla wymuszeń sinusoidalnych w zakresach rezonansu masy nieresorowanej i resorowanej najmniejsze wzmocnienie sygnału uzyskuje się dla maksymalnego tłumienia.
W pozostałych zakresach częstotliwości najmniejsze wzmocnienie, a więc największy komfort uzyskuje się dla tłumienia minimalnego. Analiza literatury [5, 20, 68-69] pokazała również, że nawierzchnie dróg nie posiadają równomiernego rozkładu wartości amplitud długości fal wymuszenia od drogi, ale dla większości nawierzchni można znaleźć dominujący zakres długości fal, czyli taki, który posiada amplitudy o największym odchyleniu od linii definiującej przedział klasyfikacyjny jakości nawierzchni drogi według normy ISO 8606. Na rys. 6.2 zaprezentowano wyniki pomiarów nawierzchni dróg [68] z wyznaczonymi gęstościami widmowymi i porównanie ich do granic przedziałów klasyfikujących nawierzchnie wg normy ISO 8606 [9]. Te dominujące długości fal wymuszenia od drogi będą miały decydujące znaczenie dla komfortu, ponieważ przy określonych prędkościach eksploatacyjnych generować będą dominujące wymuszenia o określonej częstotliwości. Analiza literatury z rozdziału 1.2.2.2 wykazuje zasadniczy wpływ prędkości przejazdu po danej nawierzchni na częstotliwości wymuszeń kinematycznych koła.
Badania drogowe [68] potwierdziły, że dla nawierzchni o bardzo dobrej jakości dla małych długości fali do 4m wymuszenia od drogi posiadają bardzo małą amplitudę w stosunku do wartości amplitud wynikających z przebiegu linii rozgraniczającej według normy ISO. W porównaniu z normą droga znajduje się w zakresie najwyższej jakości A. Dla długości fali 20-30m droga wykazuje dużo większe amplitudy i porównując z normą ISO znajduje się w zakresie dróg o przeciętnej jakości B. Dla drogi ekspresowej długości fali rzędu 30m będą długościami dominującymi. Zakładając prędkość eksploatacyjną na poziomie 120km/h oznacza to, że częstotliwość dominująca będzie w zakresie rezonansu nadwozia i w celu maksymalizacji komfortu wymagane jest wyższe tłumienie amortyzatorów.
99
Rys. 6.2 Gęstości widmowe mocy amplitud na podstawie pomiarów dróg o różnej klasie nawierzchni porównane z granicami przedziałów klasyfikacyjnych z normy ISO. 1.-Eksploatacyjny zakres dla drogi ekspresowej. 2.-Eksploatacyjny zakres dominujący
dla bruku. 2,3 i 4- obszary gęstości widmowej bruku dla klas nawierzchni D, C i B. [na podstawie 68].
Odwrotną zależność wykazuje droga o złej jakości (rys. 6.2). Dla długości fal poniżej 0,3m droga znajduje się w zakresie klasy D oznaczającej nawierzchnię o bardzo złej jakości. Dla długości fal do 2m droga znajduje się w zakresie C, co oznacza drogi o złej jakości, natomiast dla większych długości fali niż 15m gęstość widmowa mocy znajduje się w zakresie klasy B. Oznacza to, że dominujące wymuszenia będą pochodziły od krótkich długości fal, co spowoduje wyższe częstotliwości wymuszeń od drogi (powyżej 5Hz) nawet dla prędkości eksploatacyjnych rzędu 30km/h.
Porównując gęstości widmowe obu nawierzchni można zauważyć, że dla wymuszeń od długości fal powyżej 15m jakość nawierzchni dla badanego bruku i drogi ekspresowej jest zbliżona.
Dzięki rozpoznaniu dominujących częstotliwości dla danych rodzajów dróg i opracowaniu algorytmu szacowania typu nawierzchni możliwe stało się połączenie wiedzy na temat krzywej gęstości widmowych mocy nierówności nawierzchni i przebiegów funkcji wzmocnienia dla wymuszenia sinusoidalnego. Rys. 6.3 obrazuje ideę doboru tłumienia maksymalizującego komfort na podstawie rozpoznania typu nawierzchni drogi i oszacowania prędkości wzdłużnej pojazdu.
Rys. 6.3 Schemat ideowy strategii sterowania adaptacyjnego (rys. przebiegu funkcji wzmocnienia [5], rys. oszacowania typu nawierzchni drogi [69].
100
W rzeczywistej eksploatacji występują wymuszenia stochastyczne (patrz podrozdział 3.3.1.1), dlatego nawierzchnie nie posiadają jednej częstotliwości dominującej, ale cały zakres częstotliwości o zwiększonej amplitudzie w stosunku do rozkładu wartości amplitud wynikających z podziału klas nawierzchni według normy ISO. Oznacza to, że opracowany moduł algorytmu szacujący optymalne tłumienie będzie sterował tłumieniem w sposób ciągły, a nie skokowy, ponieważ w rzeczywistej eksploatacji nie ma jednoznacznej częstotliwości granicznej, tak jak ma to miejsce przy wymuszeniach sinusoidalnych, gdzie dla zakresu rezonansu korzystne jest duże tłumienie, w pozostałych zakresach tłumienie minimalne. Opracowany algorytm szacowania jakości nawierzchni drogi (rozdział 5) nie oblicza wprost częstotliwości dominującej, dlatego opracowany moduł optymalnego tłumienia będzie bazował na wynikach badań znanych z literatury i badaniach symulacyjnych oraz eksperymentalnych dla tras badawczych opisanych w podrozdziale 4.4.1.
Istnieje zatem możliwość, że algorytm nie będzie funkcjonował dla wszystkich tras z jednakową skutecznością poprawy komfortu, ponieważ zakres częstotliwości dominujących może dla dróg o tej samej klasie różnić się między sobą.
Rozwiązaniem tego problemu mogło by być obliczanie wprost gęstości widmowej mocy nawierzchni drogi, ale to wymaga pomiaru przebiegu nierówności nawierzchni drogi, a więc np. dodatkowy skaner skanujący nawierzchnię drogi.
Ze względów ekonomicznych obecnie takie rozwiązanie nie jest preferowane dla sterowania adaptacyjnego tłumieniem zawieszenia i nie będzie dalej rozważane w niniejszej pracy.
Prace badawcze nad algorytmem przeprowadzono według metodyki przedstawionej na rys. 6.4. W podrozdziale 6.2 opisano badania symulacyjne w celu wyznaczenia matrycy optymalnej nastawy prądu sterującego, która minimalizuje opracowany wskaźnik komfortu jazdy. Następnie zweryfikowano uzyskane wyniki poprzez cząstkowe badania eksperymentalne. W podrozdziale 6.3 opracowano moduł przekształcający bezwymiarowy współczynnik tłumienia na prąd sterujący dla amortyzatora przebadanego w badaniach stanowiskowych. Dzięki temu opracowany algorytm optymalnego tłumienia może bazować na współczynniku tłumienia i zostać zastosowany w każdym pojeździe wyposażonym w amortyzatory o zmiennej charakterystyce tłumienia, dla którego opracowano moduł przekształcający współczynnik tłumienia na prąd sterujący.
Rys. 6.4 Metodyka prac badawczych nad algorytmem doboru poziomu tłumienia maksymalizującego komfort jazdy
101
W podrozdziale 6.4 przedstawiono algorytm doboru poziomu tłumienia maksymalizującego komfort jazdy. Algorytm wyznacza bezwymiarowy współczynnik tłumienia, który opracowano na podstawie matrycy optymalnej nastawy prądu sterującego (opisanej w podrozdziale 6.2).