Система динамической стабилизации для грузовых автомобилей

Тяжелые грузовики существенно отличаются от легковых автомобилей намного большей массой в сочетании с более высоким центром тяжести и дополнительными степенями сво­боды, обусловленными движением с прице­пом. Поэтому они могут подвергаться не­устойчивым состояниям, выходящим далеко за рамки заноса, случающегося с легковыми автомобилями. К таким состояниям относятся складывание автопоездов, вызываемое, к при­меру, заносом прицепа и опрокидывание, вызываемое большим поперечным ускорением. Поэтому система динамической стабилизации для грузовых автомобилей должна наряду с обе­спечением стабилизации, как у легковых авто­мобилей, также предотвращать складывание автопоезда и опрокидывание.

Требования к системе динамической стабилизации для грузовых автомобилей

В дополнение к требованиям, предъявляе­мым к легковым автомобилям, система ди­намической стабилизации у грузовиков, на основании расширенных функций, должна:

• Улучшать курсовую устойчивость и реак­цию автопоезда или сочлененного авто­буса в пределах физически возможного во всех режимах и при любой загрузке; сюда относится предотвращение складывания автопоездов;
• Снижать риск опрокидывания автомобиля или автопоезда как в квазистационарном режиме, так и при маневрах.

Эти требования, реализованные в ESP грузо­вых автомобилей, приводят, как в случае с легковыми автомобилями, к значительному повышению безопасности движения. По этой причине европейское законодательство, на­чиная с 2011 года, требует постепенного ввода системы динамической стабилизации для тяжелых грузовиков (более 7,5 т) (не­отъемлемая часть ECE-R 13).

Применение системы динамической стабилизации для грузовых автомобилей

Между тем, ESP у грузовых автомобилей теперь предлагается практически для всех конфигураций автомобилей (кроме полно­приводных):

• Автомобили с колесными формулами 4×2, 6×2, 6×4 и 8×4;
• Тягачи с полуприцепами (сочлененные ав­томобили или просто полуприцепы);
• Тягачи с прицепами (автопоезда);
• Тягачи с несколькими прицепами (Eurokombi), т.е. тягач, низкорамный при­цеп и полуприцеп или полуприцеп с дополнительным прицепом с одной осью или сближенными двумя осями, установ­ленными по центру тяжести.

Принцип действия системы динамической стабилизации для грузовых автомобилей

Системы динамической стабилизации для грузовиков в соответствии с требованиями можно поделить на две описанные ниже функциональные группы.

Динамическая стабилизация грузового авто­мобиля вначале выполняется согласно тем же принципам, которые действуют для лег­ковых автомобилей. Контроллер сравнивает текущее движение автомобиля с движением, заданным водителем, с учетом физических возможностей. Однако физическая модель движения в горизонтальной плоскости — для отдельного автомобиля характеризуется тремя степенями свободы (продольная, по­перечная и вокруг вертикальной оси) — у соч­лененного автомобиля также включает в себя угол сочленения между тягачом и прицепом (дополнительная степень свободы). Суще­ствуют и другие степени свободы для комби­наций с малогабаритными прицепами.

Для расчета движения автомобиля, зада­ваемого водителем, ЭБУ использует упро­щенные физико-математические модели (одноколейную модель автомобиля) для определения номинальной скорости враще­ния тягача вокруг вертикальной оси. Встре­чающиеся в этих моделях параметры (ха­рактеристическая скорость автомобиля vch, колесная база l и передаточное отношение рулевого механизма il) адаптируются к пове­дению автомобиля во время эксплуатации с помощью особых адаптационных алгоритмов (например, фильтры Кальмана или рекурсив­ная оценка по методу наименьших квадратов). Адаптация параметров в реальном вре­мени особенно важна для грузовиков из-за гораздо большего разнообразия вариантов и нагрузок, чем у легковых автомобилей. Параллельно с этим ESP вычисляет текущее движение автомобиля на основе измеренных значений скорости вращения вокруг верти­кальной оси, бокового ускорения и скоростей колес. Значительное различие между дви­жением автомобиля и движением, которое ожидает водитель, ведет к сбою управления, преобразуемому контроллером в корректи­рующий номинальный момент вращения во­круг вертикальной оси.

Уровень номинального момента вращения вокруг вертикальной оси у грузового автомо­биля зависит от сбоя управления, текущей конфигурации автомобиля (колесная база, ко­личество осей, эксплуатация с прицепом или без и т.д.) и состояния загрузки (масса, центр тяжести в линейном направлении и т.д.). Все эти параметры переменные, они непрерывно определяются системой ESP. Это достигается, к примеру, в загруженном состоянии с помо­щью оценочного алгоритма на основе сигналов системы управления двигателем (обороты и момент двигателя) и линейного движения ав­томобиля (скорости колес) для непрерывного определения текущей массы автомобиля.

На основании текущей ситуации движе­ния номинальный момент вращения вокруг вертикальной оси соответствующим образом корректируется путем притормаживания от­дельных колес прицепа. Это продемонстри­ровано на примере на рис. а и b » Принцип тормозящего вмешательства ESP у полуприцепов» для ярко выраженной избыточной и недостаточ­ной поворачиваемости, соответственно.

Наряду с этими ярко выраженными си­туациями существуют и другие критические динамические ситуации, в которых колеса притормаживаются в зависимости от желае­мого стабилизирующего эффекта. В случае с более серьезной недостаточной поворачиваемостью весь автомобиль тормозит по каналам, аналогичным тем, что используются в расширенной системе управления недоста­точной поворачиваемостью (EUC) у легковых автомобилей.

Из-за высокого центра тяжести заносы и складывания у грузовых автомобилей возни­кают главным образом при низких и средних коэффициентах сцепления шин с дорогой, когда уже на ранней стадии превышается предел статического трения шин. При высо­ких коэффициентах сцепления загруженные грузовики из-за высокого центра тяжести обычно начинают опрокидываться до дости­жения предельного статического трения шин.

Порог опрокидывания (пороговое поперечное ускорение) автомобиля зависит не только от высоты центра тяжести, но и от систем шасси (подвеска, стабилизаторы, пружины и т.д.) и типа полезной нагрузки (фиксированная или движущаяся).

Причиной, вызывающей опрокидывание грузовика, помимо относительно низкого по­рога опрокидывания, является слишком вы­сокая скорость при прохождении поворотов. ESP использует этот сценарий для уменьше­ния вероятности опрокидывания автомобиля. Как только автомобиль подходит к порогу опрокидывания, он тормозит посредством снижения крутящего момента двигателя и, при необходимости, задействования тор­мозов. Порог опрокидывания определяется здесь в зависимости от загрузки автомобиля и распределения нагрузки, при этом загру­женное состояние автомобиля оценивается в реальном времени.

Определяемый порог опрокидывания кор­ректируется в зависимости от ситуации движе­ния. Таким образом, порог опрокидывания при высокой скорости, в очень динамичных си­туациях (например, при объезде препятствий) уменьшается, чтобы обеспечить раннее вме­шательство системы. И наоборот, при очень медленных маневрах (например, прохождении крутых поворотов на горном серпантине), он повышается, чтобы предотвратить ненужное и деструктивное вмешательство ESP.

Определение порога опрокидывания осно­вано на различных предположениях в отноше­нии высоты центра тяжести и динамической реакции автопоезда с известным распределе­нием нагрузки между осями. Это относится к большей части обычных автопоездов.

Для обеспечения динамической стабилиза­ции даже в случае сильных отклонений от при­емлемой ситуации (например, очень высокое расположение центра тяжести) ESP дополни­тельно обнаруживает возможный отрыв колес от поверхности дорогой на внутреннем ради­усе поворота. Это достигается путем контроля колес на предмет неправдоподобной скорости вращения. При необходимости весь автопоезд интенсивно тормозится за счет вмешательства тормозной системы.

Отрыв колес прицепа на внутреннем ради­усе поворота сигнализируется электронной тормозной системой прицепа (ELB) по шине CAN (SAE J 11992) путем активации контрол­лера ABS. У автопоездов с прицепами, обору­дованными только системой ABS, выявление отрыва колес на внутреннем радиусе пово­рота осуществляется только у тягача.

Конструкция системы динамической стабилизации грузовых автомобилей

На европейском рынке электронная тормоз­ная система ELB стала стандартом в области управления тормозами у крупнотоннажных грузовиков. ESP базируется на этой системе, добавляя в неё регулирование динамики дви­жения. Для этого ESP использует возможно­сти ELB по созданию изменяемых тормозных сил на каждом колесе независимо от дей­ствий водителя.

Очень разные общие условия для тор­мозных систем грузовиков в Северной Америке означают, что стандартно исполь­зуются только системы ABS или ABS/TCS. Поэтому для этих и аналогичных регионов используется система ABS/TCS на базе ESP. В этом случае ESP использует метод, уже применяемый системой TCS на приводной оси для создания тормозных сил отдельно на каждом колесе независимо от водителя с помощью клапана TCS и следующих за ними клапанов ABS. Кроме того, для ESP на базе ABS инициируемое водителем тормо­жение должно измеряться датчиками дав­ления, что при вмешательстве ESP было бы невозможно из-за работы клапана TCS.

Как и в легковых автомобилях в качестве датчиков ESP в грузовиках используется комбинированный датчик скорости вращения вокруг вертикальной оси и поперечного уско­рения и датчик угла поворота рулевого ко­леса. Каждый из этих датчиков соединяют контроллер с интерфейсом CAN для анализа и безопасной передачи измеренных данных.

Датчик угла поворота рулевого колоса обычно монтируется непосредственно под рулевым колесом. Сигнал датчика преобразуется в ЭБУ в угол поворота рулевого колеса.

Чтобы измерять поперечное смещение как можно ближе к центру тяжести тягача, комбинированный датчик скорости вращения вокруг вертикальной оси и попере чного ускорения обычно монтируется рядом с цен­тром тяжести.

Хотя в грузовых автомобилях в основном используются те же датчики, что и в легковых, датчик скорости вращения вокруг вертикальной оси и поперечного ускорения должен иметь гораздо более прочную кон­струкцию, особенно рамы грузовика, чтобы выдерживать более жесткие условия экс­плуатации.

Алгоритмы ESP выполняются вместе с дру­гими алгоритмами для управления тормо­зами (например, ABS и TCS) в блоке управления тормозами. Этот блок управления конструируется с помощью традиционной технологии печатных плат с мощными микро­контроллерами.

Шина CAN соединяет датчики ESP с блоком управления. Затем номинальные значения давления и скольжения колес по командам ESP реализуются соответствующей тормоз­ной системой для каждого колеса и прицепа. В дополнение к этому тормозная система пе­редает запрошенный крутящий момент дви­гателя по автомобильной шине CAN (обычно стандарта SAE J 1939) на ЭБУ двигателя для последующей его установки.