A hosszirányú járműdinamikai modellezés két fő témaköre a következő: egyrészt a menetellenállások, mint például a gördülési ellenállás, kanyarellenállás, légellenállás, emelkedési ellenállás, gyorsítási ellenállás, vizsgálata. Másrészt, mivel a gumiabroncsnak kitüntetett szerepe van a hajtóerők és fékerők átvitele szempontjából, a modellezés célja a gumiabroncs és a talaj közötti erőátvitel leírása.
A dinamikai hatások jó része a jármű és környezet kölcsönhatásaként jön létre, például súrlódás, légellenállás, út és kerék kontaktus. Szimulációk során cél ezeknek a hatásoknak minél élethűbb modellezése és reprodukálása. A járműirányítás tervezése során azonban a cél ezeknek a hatásoknak minél egyszerűbb, de a tervezési célok tekintetében releváns modellezése.
Amíg az útmodellek célja az útgerjesztés leírása, addig a kerékmodellek az út-kerék kölcsönhatás leírását adják meg. A vízszintes úton gördülő járműkerékre ható erők lehetnek egyrészt aktív erők, másrészt passzív erők.
Az aktív erők közül a kerék középpontján halad keresztül a függőleges terhelőerő, ami a kerék együttes tömegéből és a gépjármű tömegének a kerékre eső részéből tevődik össze. Aktív erő a vízszintes vonóerő, amivel a gépjármű tengelye tolja vagy húzza a kereket (valójában a kerék és az út érintkezési pontján ébred). A kereket a középpontja körül igyekszik elforgatni a forgató/fékező-nyomaték
Vízszintes úton gördülő járműkerékre ható passzív erők csak akkor ébrednek, ha valamilyen aktív erő hat. Így például a reakcióerő, a kerék és a talaj felfekvési felületén ébred: mivel a kerék nem pontban, hanem felületen érintkezik a talajjal, a reakcióerő egy elosztott erőként jelentkezik, amelyet azonban a számításokban egy koncentrált erővel helyettesítenek. A reakcióerő támadáspontja a függőleges szimmetriatengelyhez viszonyítva a haladás irányában eltolódik.
Passzív erőként jelentkezik a légellenállás: a levegő ellenállást fejt ki a kerék haladásával szemben, valamint a vonóerő reakcióereje, azaz a tapadási erő.
Egyenletes sebességet feltételezve a kerék szempontjából az alábbi tipikus eseteket különböztethetjük meg:
Forgatott (hajtott) vontató kerék, emelkedőn felfele: ilyenkor a motornak nyomatékot kell kifejtenie a kerékre, hogy a jármű meg ne álljon. A hajtott kerék toló/vonóerőt fejt ki a tengelyen keresztül a járműre.A reakcióerő eredője a kerék talppontjától a menetirányban eltolva hat, s függőleges komponense a súlyerővel tart egyensúlyt. A reakcióerő vízszintes komponense előre mutat és a vonóerővel tart egyensúlyt.
Csak forgatott (hajtott) kerék, vízszintes úton: ekkor a motornak nyomatékot kell kifejtenie a kerékre az egyenletes haladás érdekében. Ebben az esetben nincs vonóerő, s a reakcióerő eredője a függőleges terhelőerővel tart egyensúlyt, nyomatéka pedig a forgatónyomatékkal.
Forgatott (hajtott) és vontatott kerék enyhe lejtőn: ebben az esetben a jármű súlyából adódik egy haladás irányú vonóerő, de ez még nem akkora, hogy a motornak ne kelljen nyomatékot kifejtenie a kerékre. A reakcióerő függőleges komponense a terhelőerővel tart egyensúlyt a vízszintes komponense a haladással ellentétes irányba mutat és a vonóerővel tart egyensúlyt.
Csak vontatott kerék, lejtőn: ilyenkor a jármű súlyából adódó vonóerő éppen legyőzi a gördülési ellenállást, azaz ekkor nincs forgatónyomaték.
Fékezett és vontatott kerék meredek lejtőn: ebben az esetben a jármű motornyomaték kifejtése nélkül is gyorsulna. Az egyenletes sebesség biztosításához tehát a járművet fékezni kell. Ez eredményezi a keréken a fékező nyomatékot. Ekkor ugyan van forgatónyomaték, de most a kerék forgásirányával ellentétes irányban hat.
Mint azt már láttuk, a gumiabroncs biztosítja az erőátvitelt a jármű és az út között. A jármű súlya képviseli a függőleges irányú (útra merőleges) erőket, a gyorsulás/lassulás a hosszirányúakat, a kanyarodáskor pedig oldalirányú erők hatnak. Ezeket az erőket az abroncs egy igen kis helyen adja út illetve veszi fel, ezért a gumiabroncsnak olyannak kell lennie, hogy mindezeket az intenzív erőhatásokat elviselje.
A kerék és útfelület kölcsönhatását tekintve általában az jellemző, hogy csak a gumiabroncs nyomódik be, az útfelület nem deformálódik. A kerék és a pálya érintkezése nem egy pont, hanem ellipszis és a nyomás egy ellipszoid mentén oszlik el. Ha a kerék áll és a függőleges terhelőerőn kívül más aktív erő nem hat, a reakcióerő a kerék talppontjánál szimmetrikusan hat, eredője függőleges és átmegy a kerék középpontján.
A függőleges terhelés következtében a gumiabroncs deformálódik: egy adott része hol összenyomódik, hogy megnyúlik és a talajon egy felfekvő felületet alkot. Ha a kerék gördül, akkor a gördülés alatt a nyomás eloszlása a felfekvő felületen nem egyenletes. Így a fellépő erő már nem szimmetrikus a függőleges terhelőerőhöz képest, az eredő vertikális erő nem a kerék talppontjában, a felület középpontjánál, hanem attól a haladás irányában eltolva, előtte hat. Ez lesz a gördülési ellenállás karja. Ennek az eltolódásnak a következtében a reakcióerő nyomatékot fejt ki a kerékre, ezért kell egy aktív forgatónyomaték a kerék forgásban tartásához: ez nem más, mint a gördülési ellenállás.
A deformáció során a befektetett mechanikai energia egy része elnyelődik, azaz hővé alakul. Ennyivel több energiát kell befektetni a gumiabroncs mozgásban tartásához, gördüléséhez. Ezért ha nem fektetnünk be folyamatosan energiát, akkor a gördülési ellenállástól egy idő után megállna a gördülő kerék, ugyanúgy, mint a súrlódástól. A gördülő ellenállás általában sokkal kisebb, mint a száraz csúszó súrlódás. A gumiabroncs deformációja miatt a befektetett energia nem nyerhető vissza teljesen, egy része elvész. A gumiabroncs deformációja a normál kerékterhelés aszimmetrikus eloszlását is eredményezi.
A mechanikából ismeretes a tiszta csúszósúrlódás valamint a tiszta nyugvósúrlódás. Mindkettőt azzal a fajlagos erővel jellemezhetjük, amely szükséges a csúszás fenntartásához, illetve megindításához. A kerék gördülésekor fellépő tapadás nem egyszerűen a nyugvósúrlódáson alapszik. Vannak gumiabroncsszemcsék, amelyek pillanatnyilag mozdulatlanok, de vannak olyan szemcsék is az abroncs és az út érintkezési felületén, amelyek csúsznak. A talaj és a gumiabroncs között fellép egy vákuumos szívóhatás is, ami az abroncsfelület elválását nehezíti meg. Így a gördülő kerék tapadását nem jellemzi egyértelműen sem a csúszó-, sem a nyugvósúrlódási tényező. Erre a célra külön tényező, tapadási tényező bevezetése szükséges, mely alatt azt a maximális vonóerőt értjük, amelynél a gördülés éppen tiszta csúszásba megy át.
Az így bevezetett tapadási tényező értéke több elemtől függ: például az út minőségétől és állapotától, a gumiabroncs minőségétől és állapotától, bizonyos mértékig függ a jármű sebességétől valamint kisebb mértékben függ a gumiabroncs légnyomásától. Ugyancsak kismértékben függ a függőleges terhelőerőtől.
Csúszó súrlódásról akkor beszélünk, ha a kerekek nem gördülnek, hanem csúsznak a felületen. A csúszó súrlódási tényező értéke mindig kisebb, mint a tapadási tényezőé. A két érték közötti átmenet folytonos, amit az úgynevezett szlippel lehet kifejezni.
A tapadási és súrlódási tényezők a hosszirányú és oldalirányú komponensek vektoriális eredőjeként foghatók fel, amelyek segítségével a hosszirányú gyorsulások (gyorsítás, fékezés) és az oldalirányú mozgások leírhatók.
Ennek megfelelően a jármű mozgásához szükséges hajtóerő összességében az alábbi ellenállás komponenseket győzi le:
|
(144) |
ahol
: gördülési ellenállások az első és hátsó kerekeken,
: a légellenállás,
: az emelkedési ellenállás,
: a kanyarellenállás,
: pedig a gyorsítási ellenállás.
A gördülés során a terhelés eloszlása nem egyenletes, az eredő vertikális erő a felület középpontja előtt távolságban hat.
|
(145) |
ahol a gördülés ellenállási tényező.
A gyorsulás nélkül gördülő keréken a nyomatékok egyensúlya alapján: , ahol a statikailag terhelt kerék sugara. Ebből a gördülési ellenállás: , ahol . Mivel változó nem mért, ezért ellenállást az normálerővel arányosan modellezzük.
A gördülési ellenállás tényezője a gumi légnyomásától, a gumiabroncs típusától (összetételétől) és a kerékterhelésétől függ. Ezeken a gumi összetétele van rá hatással. Terepen a talaj minősége játszik fontos szerepet. A gördülési ellenállási tényező egy a sebességtől független állandóból és a sebességtől függő tagokból tevődik össze:
|
(146) |
Normális (150 ) sebességig az összefüggés lineáris (. Nagy sebességnél a tapasztalati összefüggés:
|
(147) |
Nedves talajon, bizonyos vízrétegvastagság felett a gördülési ellenállást növeli a lökéshullámból adódó ellenállás, amely a talaj és a gumiabroncs közé ékszerűen benyomuló víz kiszorítása miatt lép fel. A lökéshullám ellenállása a sebességtől, az abroncs szélességétől és a vízréteg vastagságától függ. magasabb vízréteg és nagyobb sebesség esetén a kerék felúszhat és vízen csúszás keletkezhet.
A gördülési ellenállást növeli a kerékösszetartásból eredő ellenállás is. A kerékösszetartási ellenállás () a gumi felfekvő felületének oldalirányú deformációja miatt keletkezik.
A kerékösszetartási szögből () eredő oldalerő () hosszirányú komponense a menetiránnyal ellentétesen hat, ezért növeli a kerékellenállást:
|
(148) |
A kanyarellenállás ívmenetben a gumiabroncs oldalirányú deformációja következtében keletkezik. A kanyarellenállás a kerekeken ívmenetben fellépő oldalerők () mozgással ellentétes irányban ható komponenseiből számítható.
A kerékoldalerő mozgással ellentétes irányú komponense a jármű mozgását fékezi. A kanyarellenállás ekkor
|
(149) |
ahol az első és hátsó tengely kúszási szöge.
A kanyarmenetben fellépő centrifugális erő () által generált nyomaték egyensúlyban van a tengely oldalerők () által generált nyomatékkal.
|
(150) |
ahol a centrifugális erő közelítése: , ahol a jármű tömege, a kanyarsugár, sebesség, tengelytáv, a súlypont távolsága az első és hátsó tengelytől.
A járműre ható kanyarellenállás:
|
(151) |
azaz
|
(152) |
ahol kanyarellenállási tényező:
|
(153) |
A 31. ábra a kanyarellenállási tényező változását mutatja az oldalgyorsulás függvényében.
A mozgásban lévő járművön a menetszél következtében a mozgás irányával ellentétesen ható erő, légellenállás keletkezik. A légellenállás nagysága a jármű alakján kívül elsősorban az áramlási sebességtől függ. Az eredő áramlási sebesség a menetszélből () és a természetes szélből () tevődik össze: .
Ha a természetes szél iránya nem egyezik meg a menetszél irányával, az eredő erő háromszögeléssel számolható:
|
(154) |
ahol a természetes szélsebesség iránya és a jármű hossztengelye közötti szög.
Oldalszél esetén az eredő áramlási sebesség és az áramlási szög:
|
(155) |
A természetben az áramlási szög állandóan változik, mert a szélsebesség és az útirány is változik. Az áramlási veszteségek az áramlási sebesség négyzetével nőnek. A légellenállás a következő összefüggésből számítható:
|
(156) |
ahol a levegő sűrűsége, a légellenállási tényező, a jármű homlokfelülete, az áramlási szélsebesség. Megjegyzés: értéke a jármű hosszirányába ható szélsebességgel egy szélcsatornában határozható meg.
Az emelkedési ellenállás a jármű tömegéből és a lejtő szögéből számítható.
|
(157) |
Gyorsításkor a jármű transzlációs és rotációs mozgást végző tömegeinek tehetetlenségi ellenállását kell leküzdeni. Ezek alapján a gyorsítási ellenállás két részből tevődik össze:
|
(158) |
ahol a jármű tömege, a gyorsulás, a forgó tömegeknek a kerékre redukált tehetetlenségi nyomatéka, a kerék szöggyorsulása és a dinamikus keréksugár. A kerék szöggyorsulását átszámíthatjuk transzlációs gyorsulássá: . A gyorsítási ellenállás:
|
(159) |
ahol forgási tömegtényező a rotációs és transzlációs tömegek viszonyát fejezi ki.
meghatározásához a forgó tömegek tehetetlenségi nyomatékát az szögsebességgel forgó kerékre kell redukálni.
A hajtótengely és a motor szögsebességét a differenciálmű áttételével () és a hajtóműáttétellel () kell a kerékre átszámítani:
A kerékre redukálandó tehetetlenségi nyomatékok összege ennek megfelelően
|
(160) |
ahol a hajtótengely kerékre redukált tehetetlenségi nyomatéka és a motor forgó részeinek kerékre redukált tehetetlenségi nyomatéka.
A kerék erők leírása során több koordináta rendszert használhatunk. Ezek lehetnek például földhöz rögzített , a járműhöz rögzített , kerék hordozóhoz rögzített , kerék forgéstengelyhez rögzített , valamint a lokális útfelület dőléséhez rögzített koordináta rendszerek.
Minden ponton, ahol a gumiabroncs érintkezik az út felületével merőleges (normális) erők és súrlódási erők ébrednek. Az abroncs profiljának kialakítása miatt azonban a felfekvő felület nem feltétlenül alkot összefüggő területet. A kontakterők hatása leírható egyetlen eredő erővel ami az érintkezési felület egy rögzített pontján hat és egy nyomaték vektorral. Mivel egyenetlen úton a kontakt pont meghatározása nem egyszerű, ezért a kontakt pont geometriáját úgy kaphatjuk meg, hogy egy becsült pontot a tényleges útra vetítve kapunk egy közelítést a kontakt pontra, ahol a kerékre ható erőket tételezzük.
A vektorok komponenseit egy, a pályához rögzített, koordináta rendszerben fejezhetjük ki, ahol a tengely merőleges a pályára, az tengely merőleges a tengelyre és a kerekek forgási tengelyére. Az tengely irányát a jobbkezes rendszer szerint rögzítjük.
Ebben a koordináta rendszerben a kerék erő és nyomaték komponensei a következőek:
hosszirányú, síkbeli longitudinális (fék, hajtás) erő,
oldalirányú, síkbeli laterális (kanyarodás) erő
függőleges (kerék-terhelés) erő,
dőlési/billenő, (kerék dőlését létrehozó) nyomaték,
gördülő nyomaték
nyomaték, ami a síkbeli erőkből jön létre azáltal, hogy azok támadáspontja nem közvetlenül a kerék középpontja alatt van.
A függőleges (kerék-terhelés) erőnek van egy statikus és egy dinamikus komponense:
|
(161) |
ahol a statikus komponens a kerék elhajlás (tire deflection, ) és a kerék elhajlás változási sebességének () nemlineáris függvénye, míg a dinamikus komponens kifejezése .
A kerék síkja általában nem merőleges az útra. A kerékdőlési szög () a kerék síkjának oldalirányú kitérését méri. Ez főleg motorkerékároknál jelentős, de bizonyos felfüggesztési megoldások hatására is jelentkezhet, amikor a tengelyterhelés változik. A rugalmas kapcsolatok eredményeképp kanyarodáskor is jelentkezik oldalirányú kitérés.
dőlési/billenő, (kerék dőlését létrehozó) nyomaték kifejezése
|
(162) |
A dőlés hatására akkor is lesznek oldalirányú erők, ha nincs csúszás. Kis dőlési szögekre ennek közelítése
|
(163) |
ahol dőlési együttható (tipping stiffness).
Az gördülő nyomatékot általában lineáris tagként modellezzük:
|
(164) |
Pontosabb modelleknél a kerékspecifikus faktor a jármű sebességétől is függ. Egy további veszteségforrás lehet a hosszirányú erő nyomatéka:
|
(165) |
ahol az effektív gördülési sugár.
A gumiabroncs kerületén ébredő hosszirányú erők a következő tényezőktől függnek: hosszirányú szlip, a függőleges kerékterhelés és a tapadási tényező. Hajtónyomaték vagy fékező nyomaték hatása alatt a gumiabroncs felfekvő felületén lévő gumirészecskék parciális csúszása miatt sebességkülönbség keletkezik a jármű sebessége és a kerék gördülési sebessége között. Emiatt kerék által megtett távolság nem egyezik meg a kerék forgási szögéből számítható távolsággal, úgynevezett hosszirányú szlip keletkezik.
A hosszirányú szlip () a menetsebesség és a kerék/talaj közötti relatív sebesség különbségéből határozható meg. A dinamikus keréksugár a gumiabroncs legördülési kerületéből adódik. A legördülési kerület egyenlő a szabadon gördülő kerék által egy fordulat alatt megtett úttal. Így a kerék dinamikus gördülési sugarát a következő definíció alapján határozhatjuk meg:
|
(166) |
ahol a kerék fordulatszáma. Tehát a dinamikus keréksugár az az effektív keréksugár, amivel az fordulatszámmal a kerék által elért sebesség adódna.
A dinamikus keréksugár összefüggése alapján:
|
(167) |
ahol a terheletlen kerék sugara és a terhelt kerék sugara. Ennek egy közelítő értékét az alábbiak szerint kaphatjuk meg:
|
(168) |
Látható, hogy
|
(169) |
Egy meghajtó kerék esetén (elsőkerék hajtású jármű első kereke) a forgásból számított sebesség nagyobb a jármű sebességénél, azaz . Egy meghajtott kerék esetén a jármű sebessége nagyobb a kerék forgásából számított sebességénél, tehát . Hajtás esetén a következő sebességkülönbség adódik: .
A dinamikai jármű modellekben szereplő egyik legfontosabb paraméter a longitudinális csúszási együttható (szlip), ahol:
|
(170) |
A hosszirányú szlip hajtás és fékezés esetén a következőképpen definiálható: a fékezési szlip
|
(171) |
míg a hajtási szlip
|
(172) |
Az álló járművön kipörgő kerék, illetve a fékezéskor blokkoló kerék egyaránt szlipet jelent.
Összefoglalva, a kerék kinematikáját meghatározó legfontosabb tényezők az alábbiak: a jármű sebessége, a kerék kerületi sebessége valamint a csúszási sebesség. Az effektív gördülési sugár értékét a szabadon futó (fék/hajtás=) kerék szögsebessége határozza meg. Bevezetjük még az a csúszási szöget valamint a csúszási sebesség irányát.
A kerékerők a tapadási és csúszási együtthatók függvényei. A különböző együtthatók definíciói és a köztük levő kapcsolatok az alábbiak:
|
(173) |
|
(174) |
|
(175) |
Mivel a csúszási együttható (slip ratio):
|
(176) |
|
(177) |
|
(178) |
Az ISO és SAE szabványok szerint a hosszirányú csúszás kifejezése [%] míg az oldalirányú csúszás [deg].
A gyakorlatban használt irányítási célú járműmodellek linearizált erőkkel és nyomatékokkal számolnak:
|
(179) |
|
(180) |
azaz
|
(181) |
|
(182) |
|
(183) |
ahol például longitudinális merevség (szlip) és pedig a kanyarodási (cornering) merevség.
A kerékre ható, úttartást és menetstabilitást befolyásoló tényezők a csúszási szög az oldalerő és az általa generált nyomaték. Amennyiben a jármű a tapadási viszonyokhoz képest nagy sebességgel halad az ívben, a tapadás jelentős részét felemészti az íven tartás biztosítása: a tapadási tényező oldalirányú komponense megközelíti az útpálya és gumiabroncs közötti tapadási tényező értékét. Ha a két komponenst összegezzük, előfordulhat, hogy nincs akkora tapadás, mint amekkorára az adott manővernél szükség lenne: a jármű kicsúszik a kanyarban.
A horizontális síkban maximálisan átvihető erőt az abroncs és a talaj érintkezési síkjában ható súrlódási viszonyok határozzák meg. A jármű hosszirányú mozgásához szükséges erők:
|
(184) |
ahol a leküzdendő menetellenállások összege, és a hosszirányú erő az első és hátsó kerekeken.
Mint azt már láttuk, a maximális hosszirányú erő () arányos a függőleges erővel ():
|
(185) |
ahol arányossági tényező a gumiabroncs és az út közötti tapadási tényező. Ha a keréken ennél nagyobb hajtó vagy fékerő lép fel, akkor a gumiabroncs nem tud a talajon tapadni és kipörög vagy blokkol. Ebben az állapotban átvihető erő a csúszási tényező nagyságától függ:
|
(186) |
Egy tipikus szlip görbe maximuma a tapadási tényező, ami a maximális erőkapcsolat kihasználást jelenti. Fékezéskor a tapadási tényező növekvő kerékcsúszás esetén intenzíven, kezdetben lineárisan majd kevésbé növekedve éri el maximális értékét. Ezt stabil tartománynak tekintjük.
Ha a szlip görbe maximumán túl növekszik, akkor a súrlódási tényező leesik a csúszási tényező értékére. A görbének ez a szakasza az instabil tartomány, ami azt jelenti, hogy a szlip a görbe maximumának átlépésekor növekszik és a kerék a csúszás állapotába megy. Ez egy önmagát gerjesztő folyamat, melynél ha nem csökkentik a fékező nyomást, a kerék hamarosan blokkolni fog.
A jármű iránytartása szempontjából a gumiabroncs oldalvezetési tulajdonságai jelentősek. A kormány működtetésével a kerék elfordul eredeti síkjától. Ekkor a gumiabroncs felfekvő felületében a talajon tapadó gumirészecskék rugalmas deformációja lép fel.
A kerék emiatt nem a középsíkja irányában, hanem az úgynevezett kúszási szög alatt gördül le. A kerék sebességvektora a kerék középsík tengelyével szöget zár be. A felfekvő felületen fellépő oldalcsúszási sebesség oldalirányú szlipet okoz.
|
(187) |
A kúszási szög az első és hátsó kerekeken a következő:
|
(188) |
|
(189) |
ahol a kormányszög. Kis szögek esetén a kúszási szögek a következő módon közelíthetők:
|
(190) |
|
(191) |
ahol a hosszirányú és oldalirányú sebességek, a perdülés szöge.
Az oldalirányú erő a függőleges normál erőtől függ:
|
(192) |
ahol az arányossági oldalsúrlódási tényező. Az oldalerő kis szögek esetén arányos a kúszási szöggel
|
(193) |
Az oldalvezető erő nem a gumiabroncs talajérintkezési felületének közepén hat, hanem távolságban mögötte. Emiatt egy visszatérítő kúszási nyomaték keletkezik, ami a kúszási szöget csökkenteni akarja:
|
(194) |
A kerékdőlés is oldalerőt generál, amely irányától függően kanyarban növeli vagy csökkenti a centrifugális erőből adódó oldalerőt. Kis dőlésszögek esetén jó közelítéssel
|
(195) |
Szimulációs célból a keréknek különböző bonyolultságú modelljeit használhatjuk. Vannak strukturális, komplex kerék modellek, mint például a végeselem modellek, ahol a kerék kis elemekre van bontva, az egyes elemekre és kölcsönhatásaira felírt (parciális) differenciálegyenletekkel. Ezeknek a modelleknek azonban igen nagy a számítási igényük.
Az ennél valamivel egyszerűbb dinamikus kerék modellek közül megemlíthetők a kefe modellek, ahol a gumiabroncs szeletekre van bontva, és ezeknek a szeleteknek a mozgása, mintha egy kefe sörtéi lennének, van modellezve. Ebben a modellben az egyes cellákra vonatkoztatott erők és a szlip alakja:
|
(196) |
|
(197) |
|
(198) |
|
(199) |
|
(200) |
A dinamikus szemi-empirikus modellek figyelembe veszik, hogy a manőverezés során a kerékerők kialakulásához idő kell, azaz
|
(201) |
ahol a kerékerőket meghatórozó slip, a tényleges (mért) slip, míg az úgynevezett relaxációs hossz. Az oldalirányú relaxációs hossz az kerékerő és az oldalirányú szlip függvénye.
Egy egyszerüsített kefe modell a LuGre modell, ahol
|
(202) |
|
(203) |
A dinamikus kerék modellek általában túl bonyolultak ahhoz, hogy irányítási célú modellekben használjuk őket. Ilyen célokra megfelelőbbek a stacionárius kerék modellek, ahol a szlip egy stacionárius nemlineáris kifejezésként van modellezve. Ilyen például a Pacejka féle "mágikus" formula:
|
(204) |
ahol a ,, párok valamelyike és
merevségi faktor;
alak faktor;
csúcs faktor;
görbületi faktor.
A teljes szimulációs célú modell jóval több (kb. ) paramétert tartalmaz amit mért adatokkal való összevetéssel kalibráltak be. Tervezés során természetesen a paraméterek számának csökkentése a kívánatos.
Egy egészen egyszerű longitudinális jármű modell egyenletei
|
(205) |
|
(206) |
ahol a jármű tömege, a jármű sebessége, az inercia együttható és a kerék sugara. Ebben az egyszerű modellben a kerék felfüggesztését és a gumiabroncs összenyomódási mértékét nem vesszük figyelembe. a hajtási vagy fékezési nyomaték.
Az állandósult állapotban a keletkezett kerék erők és nyomatékok a hosszirányú és oldalirányú csúszás függvényei. Ennek megfelelően az hosszirányú erő a hosszirányú csúszási együttható függvénye, ahol
|
(207) |
és ahol szolgál, ebben ez az egyszerű megközelítésben, dinamikus gördülési sugárként is.
Normál vezetési körülmények között igen kicsi, és a kerék közel áll a
|
(208) |
szabadon gördülési feltételhez. Ekkor a és állapottól való eltérés
|
(209) |
és
|
(210) |
Kis eltérések esetén a hosszirányú csúszási együttható alakja
|
(211) |
A már látott módon a linearizált longitudinális erő így a kapott longitudinális modell
|
(212) |
Ennek az egyszerű longitudinális modellnek az alkalmazására álljon itt a vasúti kerék csúszásának vizsgálata fékezéskor. Láttuk, hogy a szlip értékei (szabadon futó kerék) és (blokkolt kerék) között lehetnek. A valós és a modellezett adhéziós görbát, ahol a tribológiai környezet a paraméterekkel van modellezve, a 38. ábra szemlélteti.
A szimulációhoz használt modell alakja
|
(213) |
ahol
|
(214) |
|
(215) |
A modell alapján egy blokkolásgátló fékezés lett tervezve. Ennek a fékezésnek a működését szemlélteik az 40 és 41 ábrák. A szimuláció során beállított tribológiai paraméterek értékei az alábbiak voltak:
Egy hagyományos sebességtartó irányítás a vezető által megadott sebességérték tartására képes. Az adaptív sebességszabályozás feladata a hagyományos menetsebesség szabályozáson nyugszik, ami tartja a megadott sebességet. A szabályozás képes váltakozó forgalmi körülményekhez automatikusan igazodni: gyorsítani, gázadást csökkenteni, fékezni. Ezáltal képes egy előtte haladó jármű sebességéhez is igazodni egy hosszirányú követési távolság figyelembe vételével.
A szabályozási feladat az igényelt sebesség () és az aktuális sebesség () közötti különbség csökkentéséhez kiszámítja a szükséges gyorsulás (lassulás) értékét és azt realizálja:
|
(216) |
A jármű mozgásához szükséges hajtóerő komponensei:
|
(217) |
ahol a gyorsítási ellenállás és a zavaró tényezők eredője (gördülési ellenállás, légellenállás, kanyarellenállás, emelkedési ellenállás). Az hosszirányú erő egyszerűsített összefüggése:
|
(218) |
ahol a jármű tömege, pedig a jármű gyorsulása.
Az irányítási feladatot például egy PI típusú szabályozóval oldhatjuk meg. A szabályozó struktúrája ekkor
|
(219) |
A szabályozó bemenete a megkívánt sebesség () és az elért sebesség () közötti különbség: A szabályozó komponenseinek hatása a sebességekre:
|
(220) |
Definiáljuk a referencia pozíciót: (folyt.)
ahol az igényelt referencia sebességhez tartozó pozíció. Az aktuális pozíció hasonlóan felírható.
Az igényelt gyorsulás és a szabályozó komponenseinek hatása:
|
(221) |
A felsőszintű szabályozás tervezése rutinfeladat. Ha az irányítójel nagyságát meg akarjuk szorítani, akkor az elérendő minőségi tulajdonságokat bővítjük:
megfelelő referenciajel-követést kell biztosítania;
azaz az előírt sebesség és a tényleges sebesség közötti különbség legyen minimális,
minél kisebb hosszirányú erőt használjon a rendszer.
A szabályozótervezés kritériuma a következőképpen fogalmazható meg:
|
(222) |
ahol és a skalár tervezési súlyok.
A hosszirányú erőt a hajtási vagy a fékezési rendszerekkel kell létrehozni. Hajtáskor a motor fojtószelep beállításával állítjuk elő a hajtáshoz szükséges nyomatékot (táblázat). A sebességváltásról a fordulatszám és az optimális fogyasztás alapján döntünk. Fékezéskor a féknyomásokat állítjuk be ( például táblázat alapján).
Ha a jármű előtt nem halad másik jármű, akkor standard sebességtartó irányítási feladatot kell megoldani. Ha a jármű előtt egy másik jármű jelenik meg, akkor döntési feladatot kell először megoldani. Ha az előttünk lévő jármű távolsága és sebessége alapján nincs szükség a sebesség változtatására, akkor továbbra is sebességtartó irányítást kell megoldani. Ha az aktuális sebesség nem tartható, akkor a továbbiakban egy távolságtartó irányítási feladatot kell megoldani.
Az irányítási feladatban közúti járműhöz tervezünk szabályozót, amely képes a járművet egy előző járműtől előre megadott távolságban vezetni. Az irányítástervezés feladata a szükséges hosszirányú erő (hajtáslánc és fékrendszer) meghatározása. A szabályozási feladat a két jármű közötti relatív távolság minimalizálása:
|
(223) |
ahol és az egyes járművek elmozdulásai.
A járművek hosszirányú erőinek összefüggése:
|
(224) |
|
(225) |
ahol a jármű tömege, a járművek elmozdulása. Az egyenleteket a következő alakban célszerű megfogalmazni:
|
(226) |
|
(227) |
ahol relatív távolság.
A szabályozott rendszernek a következő minőségi tulajdonságokat kell kielégítenie:
megfelelő referenciajel-követést kell biztosítania
|
(228) |
azaz az előírt relatív távolság és a tényleges közötti különbség legyen minimális
minél kisebb hosszirányú erőt használjon a rendszer
|
(229) |
A szabályozótervezés kritériuma a következőképpen fogalmazható meg:
|
(230) |
ahol és a skalár tervezési súlyok.
Az adaptív távolságtartó irányítási feladatban a járműnek egy előre megadott követési távolságot kell tartania.
Az oszlopban haladó járművek irányítása azt a jellegzetes forgalmi szituációt kísérli meg automatizálás által biztonságosabbá és költséghatékonyabbá tenni, amikor több jármű, hosszú távon, azonos útszakaszon halad. Emellett a környező járművek aktuális pozíciójának pontos ismerete segítheti a ráfutásos balesetek kiküszöbölését is. Az oszlopban haladó járművek esetén a cél a minél kisebb követési távolság megvalósítása. Az oszlopban haladó járművek közötti kommunikáció kihasználásával a követési távolságot a normál követési távolságnál lényegesen kisebbre választjuk.
Normál működési körülmények esetén a követőjárművek irányítása szétcsatolható egy sebességszabályozási feladatra (hosszirányú irányítás) és a sávon belüli pozícionálásra (oldalirányú irányítás). A sebességszabályozó kimenete a féknyomás vagy a pillangószelep-állás, amelyek a jármű gyorsulásának beállítására szolgálnak. A szabályozó bemenetei az alkalmazott irányítási módszertől függően változhatnak, de a vezető vagy közvetlenül a vizsgált jármű előtt haladó jármű gyorsulás, sebesség és pozíció (távolság) adatai rendszerint szükségesek.
Ebben a feladatban alapvető szerepet játszanak a szenzorfúziós eljárások és a járművek közötti kommunikációs módszerek. A szokásos pozíciómeghatározási módszereket (GPS) a járművön megtalálható egyéb érzékelők (sebesség, oldalgyorsulás, radar) adataival kiegészítve kezeljük. Az oszlopban haladó járművek közötti kommunikáció kihasználásával a követési távolságot a normál követési távolságnál lényegesen kisebbre csökkentjük.
Kétféle stabilizálási feladatot kell megoldani: az egyedi járműveknek meg kell oldaniuk, hogy az őt megelőző járműtől való távolság minél kisebb (illetve az előírt értékű) legyen. Meg kell oldani a teljes járműoszlop stabilitását, az úgynevezett string stabilitási feladatot. A string stabilitás biztosítja, hogy az egyes járművek elérjék a számukra előírt pozíciót a járműoszlopon belül, továbbá garantálja, hogy a konvoj elején - például a vezető jármű hirtelen fékezése miatt - keletkező követési hiba folyamatosan csökkenő hibát okozzon a járműoszlop mentén. Ezzel elkerülhető, hogy egy hirtelen fékezés ráfutásos ütközést váltson ki a konvoj végén.
Az egyedi járműveknek meg kell oldaniuk, hogy az őt megelőző járműtől való távolság minél kisebb (illetve az előírt értékű) legyen. Legyen az -edik jármű aktuális pozíciója. A járművek között távolságot akarunk tartani, melynek meghatározása során figyelembe vettük a járművek hosszát is. A követő járművek közötti távolság hibája
|
(231) |
Az egyedi irányítás biztosítja a stabilitást, ha a következő követelmény teljesül:
|
(232) |
Az irányítási feladat a megadott távolság tartása az előző jármű mozgását figyelembe véve.
Meg kell oldani a teljes járműoszlop stabilitását, az úgynevezett string stabilitási feladatot. A string stabilitási feladat azt jelenti hogy a konvoj elején keletkező követési hiba ne növekedjen a járműoszlop mentén a később érkező járművek irányában. A string stabilitásra többféle megoldás létezik: állandó távolság tartása vagy állandó időköz tartása, amikor a távolság nem állandó, hanem a sebességgel arányosan változik.
A szabályozó bemenetei az alkalmazott irányítási módszertől függően változhatnak, de a vezető vagy közvetlenül a vizsgált jármű előtt haladó jármű gyorsulás, sebesség és pozíció (távolság) adatai rendszerint szükségesek. Ha az irányítási stratégia a vezető jármű alapján (1. módszer) történik, akkor
|
(233) |
ahol a vezető jármű pozíciója. Ekkor a követési hiba dinamikája: azaz . String stabilitás szempontjából ez biztosítja a leghatékonyabb megoldást, hiszen hibamentes megoldást ad. A stratégia nem biztonságos, mivel nem veszi figyelembe a vizsgált jármű előtt haladó jármű adatait.
Ha az irányítási stratégia csak a vizsgált jármű előtt haladó jármű adatai alapján (2. módszer) történik, akkor a módszer a vizsgált jármű előtt haladó jármű pozíció és sebesség adatai alapján dolgozik:
|
(234) |
Ekkor a követési hiba dinamikája alapján
|
(235) |
Az első járműre
|
(236) |
ahol az első jármű gyorsulása. Az átviteli és a frekvencia függvény:
|
(237) |
Azokon a frekvenciákon, ahol a hiba erősítve terjed tovább a járművek mentén. Ilyenkor a string stabilitás nem teljesül.
Ha az irányítási stratégia csak a vizsgált jármű előtt haladó jármű adatai alapján (3. módszer) történik, és a módszer a vizsgált jármű előtt haladó jármű pozíció és sebesség adatain kívül a vizsgált jármű előtt haladó jármű gyorsulás adatát is figyelembe veszi, akkor:
|
(238) |
A követési hiba dinamikája ekkor alapján
|
(239) |
Az első járműre , i=1, ahol az első jármű gyorsulása. Az átviteli függvény:
|
(240) |
Ha , akkor lehetnek frekvenciák, amelyeknél a hiba erősítve terjed tovább a járművek mentén. Ezért () választás célszerű a string stabilitáshoz.
Ha az irányítási stratégia a vezető jármű és a közvetlenül a vizsgált jármű előtt haladó jármű adatait egyaránt felhasználja. (4. módszer), akkor
|
(241) |
A módszer nagyszámú információt használ, azonban ebben az esetben a string stabilitás garantálható.
A változó távolságot biztosító irányítási stratégiában minden jármű a közvetlenül előtte haladó jármű pozíció, sebesség és gyorsulás adatából dolgozik (5. módszer).
Ekkor
|
(242) |
Ez a módszer is nagyszámú információt használ, azonban ebben az esetben is a string stabilitás garantálható.
A továbbiakban az ezekben a feladatokban felmerülő jelkövető irányítástervezésre adunk néhány módszer.
Induljunk ki az alábbi integráló tulajdonságú rendszerből, melynek állapottér reprezentációja a következő:
|
(243) |
|
(244) |
Integráló tulajdonságú rendszerhez jelkövetést biztosító szabályozó struktúra egy output visszacsatolt soros kompenzátort kombinál az állapot-visszacsatolással.
Ha a rendszer maga integráló tulajdonságú, és a rendszer kimenetét is visszacsatoljuk, akkor ez a struktúra automatikusan biztosítja a referencia jelkövetést és az állapot-visszacsatolás a pólusok megfelelő elhelyezését.
Válasszuk meg az állapotvektort úgy, hogy az első komponense éppen a rendszer kimenete legyen. Ebben a rendszerben az állapotjelet nem csatoljuk vissza, helyette a rendszer kimenőjelét csatoljuk vissza negatívan és az így képzett különbséget erősítjük a értékkel.
Ekkor a bemenőjel és a kimenőjel az állapotvektor elemeivel a következőképpen írható fel:
|
(245) |
|
(246) |
ahol
|
(247) |
az állapotvisszacsatolás komponensei.
Az input jelet az állapotegyenletbe helyettesítve a következő egyenletet kapjuk:
|
(248) |
A követési hiba:
A szabályozott rendszer pólusai az mátrix sajátértékei, ami azt jelenti, hogy a fenti struktúra alkalmazásával a pólus allokációs technika gyakorlatilag változtatás nélkül használható.
A szabályozott rendszer állapotmátrixa: és input vektora: .
Példa 5.1: Tekintsük példaként a következő integráló tulajdonságú rendszert:
|
(249) |
|
(250) |
Az első állapot azonos a rendszer kimenetével. Tervezzünk jelkövető szabályozást LQ módszerrel. Az LQ tervezés súlyozó tényezői:
|
(251) |
Az LQ tervezés eredménye:
|
(252) |
A zárt rendszer állapottér reprezentációja:
|
(253) |
|
(254) |
A megoldás szimulációját az alábbi ábrasor illusztrálja:
Megjegyzés: állapottér átalakítása
A megoldásban feltételeztük, hogy az állapotváltozókat sikerült úgy összeállítani, hogy a rendszer kimenete azonos az első állapotváltozóval.
Ha ez nincs így, akkor egy transzformációt kell végrehajtani.
Tegyük fel, hogy a rendszer átviteli függvénye a következő:
|
(255) |
Az első állapotváltozót úgy választjuk meg, hogy az azonos legyen a rendszer kimenetével: . A többi állapotváltozó megválasztása a következőképpen történik:
|
(256) |
ahol , , , ..., .
Végül az elsőrendű deriváltjára a következő alakot kapjuk:
|
(257) |
ahol .
A fentiek alapján az állapottér reprezentáció a következő alakot kapjuk:
|
(258) |
|
(259) |
A hasonlósági transzformációval kapott állapottérben az első állapotváltozó a kimenőjellel azonos.
Egy integrátort nem tartalmazó rendszer esetén a jelkövetést úgy kell megoldani, hogy integráló típusú soros kompenzátort alkalmazunk a visszacsatolásban.
Ez állapot-visszacsatolást tartalmazó rendszerben azt jelenti, hogy az állapot-visszacsatolt struktúrát egy olyan output visszacsatolással kombináljuk, amely integráló tulajdonságú. Ebben a struktúrában valamennyi állapot vektort visszacsatoljuk a rendszer bemenetére. Ezen túlmenően egy integráló elemet építünk a rendszer előrevető ágába és ezt -vel erősítjük. Fentiek miatt ebben a struktúrában számú erősítést alkalmazunk.
Egy új állapotváltozót definiálunk:
|
(260) |
Az állapot-visszacsatolt struktúrával a rendszer állapottér reprezentációja a következő:
|
(261) |
|
(262) |
|
(263) |
|
(264) |
Az állapot-visszacsatolt struktúrában a bemenőjelet az , , komponenseken kívül az hibajel figyelembe vételével állítjuk elő. A rendszer állapottér struktúráját a komponenssel bővítjük és ebben a bővített rendszerben végezzük el a tervezést.
Az állapotegyenletek a következők:
|
(265) |
|
(266) |
A kimeneti egyenlet:
|
(267) |
A bővített rendszer állapottér reprezentációja:
|
(268) |
|
(269) |
Az irányítójel összefüggése:
|
(270) |
Az állapottér reprezentáció:
|
(271) |
|
(272) |
A követési hiba:
Ezzel a struktúrával automatikusan elérjük, hogy a szabályozott rendszer jelkövetést biztosítson. A pólus allokációt a bővített rendszerben végezzük el. A továbbiakban a hagyományos pólus allokációs technika használható.
Az állapotvisszacsatoilt erősítés komponensű:
|
(273) |
Az állapotvisszacsatolás tervezésének feltétele, hogy az irányíthatósági mátrix teljes rangú legyen:
.
Példa 5.2:
Tekintsük példaként a rendszert:
|
(274) |
|
(275) |
A bővített rendszer állapottér reprezentációja:
|
(276) |
|
(277) |
Az LQ tervezés súlyozó tényezői:
|
(278) |
Az LQ tervezés eredménye:
|
(279) |
A zárt rendszer állapottér reprezentációja:
|
(280) |
|
(281) |
A megoldás szimulációját az 5.2 ábrasor illusztrálja.