4. fejezet - Hosszirányú modellezés és irányítás

Tartalom
4.1. Tapadás és csúszás modellezése
4.2. Kerék és út
4.2.1. Kerékre ható erők és nyomatékok
4.2.2. A kerék kinematikája
4.3. Erőátvitel modellezés
4.4. Kerékmodellek
4.5. Egyszerű hosszirányú jármű modell
4.5.1. Példa: vasúti kerék szimulált fékezése
4.6. Sebesség és távolságtartó irányítások
4.6.1. Állapot szeparálás módszere
4.6.1.1. Struktúra módosítás

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:

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. Csak vontatott kerék, lejtőn: ilyenkor a jármű súlyából adódó vonóerő éppen legyőzi a gördülési ellenállást, azaz ekkor nincs forgatónyomaték.

  5. 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.

4.1. Tapadás és csúszás modellezése

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.

Gördülési ellenállás
4.1. ábra - Gördülési ellenállás


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.

Erőhatások
4.2. ábra - Erőhatások


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.

Gördülési ellenállási tényező
4.3. ábra - Gördülési ellenállási tényező


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)

Kerékösszetartás
4.4. ábra - Kerékösszetartás


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.

Kanyarellenállás
4.5. ábra - Kanyarellenállás


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)

Áramlási sebesség
4.6. ábra - Áramlási sebesség


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.

4.2. Kerék és út

Koordináta rendszerek és kerék erők
Koordináta rendszerek és kerék erők
4.7. ábra - Koordináta rendszerek és kerék erők


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.

4.2.1. Kerékre ható erők és nyomatékok

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.

Kerékdőlési szög
4.8. ábra - Kerékdőlési szög


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.

4.2.2. A kerék kinematikája

Kontakt pont sebessége
4.9. ábra - Kontakt pont sebessége


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.

Kerék kinematikája
Kerék kinematikája
4.10. ábra - Kerék kinematikája


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.

4.3. Erőátvitel modellezés

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)

4.4. Kerékmodellek

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.

Komplex kerék modell
4.11. ábra - Komplex kerék modell


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.

4.5. Egyszerű hosszirányú jármű modell

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)

4.5.1. Példa: vasúti kerék szimulált fékezése

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.

Valós és modellezett adhéziós görbe
Valós és modellezett adhéziós görbe
4.12. ábra - Valós és modellezett adhéziós görbe


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:

Szimuláció:
4.13. ábra - Szimuláció:


Szimuláció: jelek
Szimuláció: jelek
Szimuláció: jelek
Szimuláció: jelek
4.14. ábra - Szimuláció: jelek


4.6. Sebesség és távolságtartó irányítások

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).

Összetett szabályozási séma
4.15. ábra - Összetett szabályozási séma


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.

Követési feladat
4.16. ábra - Követési feladat


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.

Oszlopban haladó járművek
4.17. ábra - Oszlopban haladó járművek


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.

Adaptív string
4.18. ábra - Adaptív string


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.

4.6.1. Állapot szeparálás módszere

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:

A megoldás szimulációja
4.19. ábra - A megoldás szimulációja


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.

4.6.1.1. Struktúra módosítás

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)

Struktúra modosítása
4.20. ábra - Struktúra modosítása


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)

Az 5.2 példa megoldása
Az 5.2 példa megoldása
4.21. ábra - Az 5.2 példa megoldása


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.