Na podstawie analizy literatury, oraz doświadczeń związanych z wcześniejszymi pracami prowadzonymi w Politechnice Poznańskiej w obszarze sterowania tłumieniem zawieszeń zdecydowano się na analizę problemów badawczych w ograniczonym obszarze sterowania tłumieniem zawieszeń. Wybranym obszarem jest sterowanie tłumieniem w celu poprawy komfortu jazdy z wykorzystaniem głównie sterowania adaptacyjnego tłumieniem z możliwością częściowego sterowania dla pojedynczego cyklu drgań.
Wybór tego ograniczonego obszaru wynika z następujących przesłanek:
1. obiektywnych trudności i wad stosowania zawieszenia aktywnego:
– ograniczeń energetycznych dla sterowania aktywnego siłą tłumienia nieznacznie powyżej częstotliwości drgań własnych nadwozia,
– wysokich kosztów realizacji technicznej zawieszeń aktywnych wynikających ze znacznego skomplikowania technicznego,
2. obiektywnych trudności w praktycznym zastosowaniu sterowania półaktywnego:
– ograniczeń technicznych sterowania tłumieniem dotyczących przede wszystkim maksymalnych częstotliwości sterowania siłą tłumienia amortyzatora (wynikających z czasów przesterowania amortyzatora) dla dostępnych i wykorzystywanych amortyzatorów o zmiennej charakterystyce tłumienia, – problemów pomiaru i estymacji zmiennych stanu w odpowiednio krótkim czasie,
3. niewystarczającym rozpoznaniu problemów i praktycznie osiągalnych korzyści z zastosowania sterowania adaptacyjnego a jednocześnie istniejących przesłanek za wykorzystaniem tego ograniczonego sposobu sterowania,
– drgania powyżej ok. 8 Hz są dobrze tłumione przez fotel, co oznacza, że rozpatrując komfort drgań zasadne jest ograniczenie sterowania poniżej częstotliwości dobrze filtrowanych przez zaimplementowany w pojeździe fotel,
– braku w literaturze wyników badań drogowych wyczerpujących potrzebę wiedzy na temat potencjału poprawy komfortu poprzez sterowanie tłumieniem amortyzatorów,
– praktycznego zainteresowania zagadnieniem koncernu VW AG, który uznał temat za aktualny i wart zainwestowania środków finansowych w celu eksperymentalnej weryfikacji opracowanego w ramach niniejszej rozprawy algorytmu.
W wybranym obszarze badawczym, dotyczącym sterowania zmianami tłumienia w zawieszeniu za istotne uznać należy następujące zagadnienia:
1. wybór czynników definiujących warunki eksploatacji wpływające na dobór optymalnej wartości tłumienia, 2. dobór optymalnych z punktu widzenia komfortu poziomów tłumienia do zmiennych warunków eksploatacji
poprzez określenie ilościowej zależności pomiędzy poszczególnymi czynnikami definiującymi warunki eksploatacji, poziomem tłumienia i wskaźnikami komfortu,
3. opracowania procedur automatycznego określania (oszacowanie) warunków eksploatacji w czasie rzeczywistym („on-line”);
40
W odniesieniu do zadania 1 dostępna wiedza [1-54] pozwala na potwierdzenie istnienia jakościowego wpływu na komfort jazdy następujących czynników definiujących warunki eksploatacji pojazdu:
– rodzaj nawierzchni (wysokość profilu) - wysokość profilu nawierzchni drogi odpowiada za wartość wymuszenia kinematycznego i tym samym ma zasadnicze znaczenie we wzbudzaniu drgań pionowych mas resorowanych i nieresorowanych. Wpływ zróżnicowania profili dróg na wymuszenie kinematyczne w pewien sposób został odzwierciedlony w normie ISO dzielącej profile dróg na klasy jakościowe,
– prędkość jazdy – prędkość najazdu na nierówności poza ich wysokością jest podstawowym czynnikiem wpływającym na wartość wymuszeń kinematycznych – wraz ze wzrostem prędkości wzdłużnej przyrasta bowiem prędkość zmian wysokości wymuszających kinematycznie przemieszczenia pionowe ogumienia w punkcie styku z nawierzchnią.
– obciążenie eksploatacyjne pojazdu (wielkość ładunku/ilość pasażerów). Pojazd wyposażony w zawieszenie jest układem drgającym, dlatego zmiana masy resorowanej (jednego z parametrów tego układu) modyfikuje znacznie charakterystykę tego układu a tym samym jego odpowiedzi na wymuszenie od drogi. Zmienia się funkcja wzmocnienia pomiędzy wymuszeniem a przyspieszeniem nadwozia i częstotliwość rezonansowa.
Zadanie 2 wynika z faktu, że poza samą świadomością istnienia jakościowego wpływu różnych poziomów tłumienia powiązanych z różnymi poziomami czynników warunkujących warunki eksploatacji na komfort jazdy, konieczna jest znajomość ich ilościowego wzajemnego wpływu. Jest to konieczne dla podejmowania decyzji o sterowaniu tłumieniem i doborze odpowiedniej jego wartości. Wiedza na ten temat nie jest w wyczerpującej formie dostępna w istniejącej literaturze, w szczególności w stopniu pozwalającym bezpośrednio wykorzystać to w konstruowaniu algorytmów sterownia tłumieniem. Oznacza to, że uzasadnione jest prowadzenie badań w tym obszarze, w szczególności badań eksperymentalnych.
Istnieją co prawda liczne publikacje przedstawiające różnorodne rozwiązania techniczne i koncepcje sterowania tłumieniem zawieszenia, w tym publikacje przedstawiające teoretyczne i symulacyjne analizy szukania optymalnych nastaw tłumienia. Niestety istnieją tylko nieliczne publikacje naukowe, które opisują sprawdzenie opracowanych algorytmów sterowania w warunkach rzeczywistych. Po części jest to powodowane tym, że praktyczna weryfikacja badanych symulacyjnie koncepcji wymaga często rozwiazywania problemów wykraczających poza same algorytmy sterowania.
Są nimi np. koncepcje rozpoznawania warunków eksploatacji - jest to przedmiotem zadania 3. Znając warunki eksploatacji możemy wybrać (nastawić) określone w zadaniu 2 optymalne poziomy tłumienia do przyjętego kryterium komfortu lub bezpieczeństwa. Analiza literatury pokazuje, że nie ma jednego ilościowego wskaźnika komfortu, który rozwiązywałby problem doboru tłumienia dla kryterium komfortu. Istotnym jest także pytanie czy da się wyodrębnić dominujące częstotliwości w całym widmie wymuszeń dla wybranych nierówności (typów nawierzchni) tak aby można było w doborze tłumienia wykorzystywać wpływ tłumienia na przebieg funkcji wzmocnienia zawieszeń. Słabo rozpoznana jest również możliwość analizy w czasie rzeczywistym sygnałów odpowiedzi zawieszenia pod kątem klasyfikacji wymuszeń kinematycznych (rodzajów nierówności je wywołujących). Pewne wstępne rozpoznanie zagadnienia pokazujące istotny potencjał poprawy komfortu i możliwości aktywnego kształtowania funkcji wzmocnienia w zależności od prędkości i rodzaju drogi zrealizowano w pracy [55]. Badania te wymagają jednak pogłębienia i rozszerzenia. Istnieje nieduża liczba publikacji, które wykorzystywałyby w algorytmach sterowania informację zarówno o typie nawierzchni drogi, prędkości pojazdu, jak i o masie resorowanej do doboru optymalnego tłumienia dla sterowania adaptacyjnego.
41
2.2 Sformułowany problem badawczy
Na podstawie analizy obszaru badawczego i występujących luk w wiedzy sformułowano ogólny problemem badawczy, jakim jest brak szczegółowej wiedzy na temat możliwości poprawy komfortu jazdy w różnych warunkach eksploatacyjnych (zmienne prędkości jazdy, typy nawierzchni dróg oraz zmienne eksploatacyjne obciążenie pojazdu ładunkiem) poprzez zastosowanie algorytmu automatycznego rozpoznawania warunków eksploatacji w czasie rzeczywistym i dopasowywanie optymalnego poziomu tłumienia. Rozwiązanie tego problemu badawczego wymaga rozwiązania szczegółowych problemów badawczych:
1. brak kompleksowej wiedzy na temat struktur i metod projektowania oraz praktycznej efektywności algorytmów adaptacyjnego sterowania tłumieniem korzystających z trzech zmiennych wejściowych (masy nadwozia, typu nawierzchni i prędkości wzdłużnej),
2. brak zweryfikowanej w badaniach eksperymentalnych wiedzy na temat związku zmiennych warunków eksploatacji z doborem zmiennego poziomu tłumienia (w dostępnym technicznie zakresie) a osiąganiem optymalnego poziomu komfortu dla typowych warunków eksploatacji,
3. brak praktycznie zweryfikowanej wiedzy na temat możliwości rozpoznawania w czasie rzeczywistym czynników kształtujących warunki pracy zawieszenia:
a. rodzajów wymuszeń kinematycznych na podstawie mierzalnych sygnałów odpowiedzi dynamicznych zawieszenia w stopniu umożliwiającym decydowanie o doborze optymalnego tłumienia dla kryterium komfortu,
b. zmienności masy resorowanej.
2.3 Cele pracy
Zasadniczym celem pracy jest rozwiązanie problemu badawczego, wyrażającego się opracowaniem zarówno algorytmu sterowania tłumieniem w zawieszeniu jak i metodyki prowadzącej do jego opracowania oraz ocena osiągniętej poprawy komfortu. Aby zrealizować cel główny pracy zrealizowano merytoryczne cele szczegółowe:
a) opracowanie algorytmów cząstkowych rozpoznawania warunków eksploatacji:
- algorytm szacowania masy resorowanej pojazdu w czasie rzeczywistym,
- algorytm rozpoznawania w czasie rzeczywistym jakości drogi (w aspekcie nierówności);
b) opracowanie algorytmu doboru optymalnego poziomu tłumienia, c) opracowanie metodyki procesu algorytmizacji dla powyższych zadań:
- metod testowania algorytmów, - metod i kryteriów oceny algorytmów.
Cele merytoryczne zrealizowane zostały przy osiągnieciu celów metodycznych:
a) wykonaniu badań wstępnych pozwalających na poznanie zakresu zmienności warunków eksploatacji,
b) przygotowaniu środowiska badań symulacyjnych i odpowiednich modeli (samochodu, amortyzatora, nierówności dróg),
c) przygotowaniu środowiska badań eksperymentalnych – prototypowej instalacji zawieszenia adaptacyjnego z zestawem czujników do badań weryfikacyjnych, procedur analizy i wizualizacji danych,
d) przygotowaniu kryteriów i wskaźników oceny opracowanych algorytmów.