УДК 62-50

Структурная и функциональная схемы разрабатываемого адаптивного элекроусилителя руля на автомобиль ВАЗ

Ездунов Андрей Сергеевич – магистрант Южно-Уральского государственного университета

Федоров Дмитрий Олегович – магистрант Южно-Уральского государственного университета

Ивандикова Полина Сергеевна – магистрант Южно-Уральского государственного университета

Космос Павел Юрьевич – аспирант кафедры Электропривода мехатроники и электромеханики Южно-Уральского государственного университета

Научный руководитель  Илимбетов Рафаэль Юрикович – кандидат технических наук, доцент кафедры Электропривода мехатроники и электромеханики Южно-Уральского государственного университета

Аннотация: Адаптивное рулевое управление в современных автомобилях становится все более популярным и востребованным. Данная статья описывает электронный руль, представленный на автомобиле Infiniti Q50, и его функциональные особенности. Рассматривается структурная и функциональная схемы разрабатываемого адаптивного электроусилителя руля на автомобиль ВАЗ. Обсуждаются преимущества и недостатки данной технологии, а также ее влияние на безопасность и управляемость автомобиля.

Ключевые слова: электроусилитель, адаптивное рулевое управление, ВАЗ, функциональная схема, arduino.

Введение

Современные автомобили имеют в своем оснащении многие электронные системы, число случаев интеграции и широкого использования которых учащается в связи с ростом доступных технологий. Основным компонентом интегрированного управления транспортным средством является скоординированность порядка работы различных подсистем автомобиля, то есть подразумевается, что подсистемы призваны вести себя совместно, насколько это возможно при реализации тех или иных необходимых функций транспортного средства. Совершенствование, комбинирование и интеграция современных технологий – неотъемлемая часть политики крупных автопроизводители. Среди конвейерных автомобилей, при разработке систем рулевого управления, самой прогрессивной является компания Nissan. Не кто иной, как Nissan на модели Infiniti G37 в 2006 году впервые в мире соединил «активный руль» с задним подруливающим механизмом. А уже сейчас – очередная разработка. Infiniti Q50 – первый серийный автомобиль, намеренно не имеющий связи между рулевым механизмом и управляемыми колесами.

Рисунок 1.1. Схема рулевого управления Infiniti Q50:1. Сервопривод рулевого колеса; 2. Электромагнитное сцепление; 3. Электронные блоки управления; 4. Сервоприводы рулевого механизма.

Электронный руль DAS (Direct Adaptive Steering – Прямое адаптивное рулевое управление) – это механизм, включающий в себя три независимых  блока управления, два из которых – исполнительные электромоторы на реечном рулевом механизме и один – на рулевой колонке. Вал от рулевого колеса к механизму сохранен, однако он соединен кулачковой муфтой, находящейся разомкнутой в штатном режиме. В случае возникновения разного рода неисправностей муфта замыкается и Infiniti Q50 становится транспортным средством с «обычным» рулевым управлением. Основное преимущество такой технологии – устранение задержки, возникающей при традиционном управлении, т.е. в данном случае водитель управляет автомобилем на более интуитивном уровне.

Рисунок 1.2. Система адаптивного рулевого управления.

Адаптивное рулевое управление (DAS) преобразует входные сигналы руля в электронные, а затем транслирует их в шину. Технология эффективна на неровных дорогах или дорогах с разбитым дорожным покрытием, где водитель вынужден крепко удерживать руль. Благодаря системе, количество передающихся водителю вибраций уменьшается, водитель получает помощь при поддержании прямого курса движения. Тем самым, система защищает водителя от избыточных дорожных вибраций, предоставляет уверенное чувство контроля руля и всего транспортного средства.

Система взаимодействует с электронным блоком управления ECU (Electronic control unit). ECU служит для преобразования информации в управляющие сигналы для поворота колес, регулируя его угол. Информация одновременно   передается от угла поворота рулевого привода к ECU, который затем возвращает информацию, необходимую для управления, обратно к рулевому колесу. Другой важной функцией DAS (Direct Adaptive Steering – Прямое адаптивное рулевое управление) является механизм стабилизации прямолинейного движения. При движении по маршруту водители, часто совершают различные корректировки для сохранения прямолинейного движения. ECU передает электронные сигналы быстрее, чем механические системы. Так, если транспортное средство отклоняется от прямой траектории, DAS помогает водителю держать прямую линию движения и снижает потребность в корректировке.

Для контроля рабочего состояние автомобиля DAS использует несколько ECU, что обеспечивает взаимозаменяемость систем и повышает стабильность работы всего механизма. Если одно ECU по каким-либо причинам выходит из строя, то другое ECU мгновенно берет управление под контроль. В случае нарушения или отключения питания, руль и колеса подключатся механически, замкнув муфту.

Появление таких автомобилей в ряде повсеместного использования призвано изменить статистические данные дорожно-транспортных происшествий, в особенности тех, что числятся в графе «со смертельным исходом», поскольку при столкновении водитель не пострадает от удара об рулевое колесо, которое при фронтальном ударе стремится навстречу.

Тем не менее, в настоящее время качество исполнения оставляет желать лучшего и требует доработок. В ходе расследования, проведенного американскими властями, выяснилось, что Infiniti Q50, изобилующий сервоприводами и электроникой, может достаточно легко выйти из строя под воздействием низких температур (морозы приводят к замерзанию отдельных частей приводов и некорректной работе программного обеспечения). Что, в свою очередь, становится серьезной угрозой ДТП.

Еще одну новинку представила Компания Ford. Эта новая система адаптивного рулевого управления, которая будет серийно устанавливаться на автомобилях марки в ближайшем будущем.

Рисунок 1.3. Рулевое управление Ford.

Инновация предоставляет возможность изменять количество оборотов руля в зависимости от скорости движения автомобиля. Стоит обратить внимание, что система работает совместно с основным усилителем руля, а не заменяет его. Новая система, разработанная в сотрудничестве с компанией-партнером Takata, ведущим поставщиком автомобильных систем рулевого управления и безопасности, уже была протестирована и показала достойные результаты, а потому вскоре планируется ее применение на автомобилях марки Ford.

Система адаптивного рулевого управления использует исполнительное устройство, которое размещается внутри рулевого колеса. За счет этого, традиционная система рулевого управления не требует внесения изменений. Операции водителя передаются на данное исполнительное устройство, состоящее из мотора на электрической тяге и коробки передач. В итоге, дорога на любой скорости, вне зависимости от размера и класса автомобиля, становится более комфортной.

Система адаптивного рулевого управления также влияет на маневренность автомобиля, поскольку система изменяет передаточное число рулевого механизма, тем самым угол поворота передних колес при равном количестве оборотов руля увеличивается. Однако в обычных автомобилях это передаточное число остается неизменным. Впоследствии, новая система адаптивного рулевого управления устанавливает зависимость «передаточное числе рулевого механизма – скорость транспортного средства», чем оправдывает оптимизацию отклика руля в любых условиях. Например, при парковке или развороте на небольшом участке, на условно низкой скорости данная система помогают автомобилю быть более легким, маневренным, т.к снижается количество оборотов рулевого колеса.  Таким образом, водитель затрачивает меньшее усилие. На высоких же скоростях система улучшает отклик руля через его автоматическое «утяжеление», что способствует не резкой и точной реакции самого автомобиля на манипуляции водителя. Система адаптивного рулевого управления создает комфорт при вождении, а сама поездка начинает доставляет больше наслаждения.

Разработка функциональной схемы

При анализе технического задания, мы можем представить схему работы данного устройства. Для функции управления углом поворота и коррекции прикладываемого усилия, устройство должно обладать микропроцессорным узлом управления.

При установлении скорости автомобиля устройство получает информацию с датчика скорости. Данные о положении рулевого колеса и колес приходят от датчиков положения руля, при этом принимаются во внимание и обороты двигателя. Для питания устройства используется бортовая система автомобиля.

Рисунок 1.4. Схема усилителя руля.

Электрический усилитель руля объединяется с рулевым механизмом в едином блоке. В усилителе такого типа стандартна установка электродвигателя асинхронного типа. Передача крутящего момента от электродвигателя на рейку рулевого механизма обеспечивается механической передачей, где одна шестеренка работает для передачи крутящего момента к рейке рулевого механизма непосредственно от рулевого колеса, другая – от электродвигателя усилителя. На рейке располагается два плеча специальных зубьев, один из которых и служит приводом усилителя.

Рассмотрим структуру устройства более детально. Для сбора информации о параметрах скорости и моменте на рулевом колесе необходим микроконтроллер.

Согласно техническому заданию управление электроприводом организуется с помощью микропроцессора через драйвер двигателя. Работает по следующей схеме:

Микроконтроллер – важный элемент преобразования и распределения работы на каждый отдельный элемент схемы. Микроконтроллер получает информацию, обрабатывает и интегрирует ее и выдает данные на силовой преобразователь (драйвер L298P). К силовому преобразователю подсоединены 2 электродвигателя и АКБ, так же мы используем макетную плату для вывода на нее плюсов, минусов и земли для работы нашей схемы.

Рисунок 1.5. Общая схема прототипа электрического усилителя руля.

В данной схеме используются следующие элементы, которые необходимы для нашего прототипа:

Пульт управления – неотъемлемый элемент схемы, предусмотрен для удалённого (дистанционного) управления устройством на расстоянии. Он собирает информацию с датчиков положения педалей газа и тормоза и с датчика положения руля. После получения информации транслирует ее через беспроводной канал связи на блок управления.

Блок управления ориентирован на преобразование и распределение работы на каждый элемент схемы. Он получает информацию с пульта управления.

Драйвер L298P является силовым преобразователем в схеме, получает информацию с электромотора и АКБ.

Принцип работы схемы: с датчиков положения педали газа, положения педали тормоза и положения руля вся информация поступает на персональный компьютер. Персональный компьютер (ПК) обрабатывает все данные, поступившие с датчиков и проводит вычисления. На основании результатов вычисления по БТ каналу передаются команды, принимаемые БТ модулем и в дальнейшем поступающие по последовательному порту в Arduino. Arduino обрабатывает поступившие команды и выполняет их при помощи моторов, светодиодов и др.

Рисунок 1.6. Функциональная схема устройства.

Схемы усилителя ВАЗ и зарубежных автомобилей

Рисунок 1.7. Блок – схема работы ЭРУ автомобиля ВАЗ.

Блок-схема работы ЭУР. В состав системы ЭУР входит: электродвигатель, сервопривод, датчики крутящего момента и угла поворота рулевого колеса, блок управления. Также опционально может быть установлен датчик скорости вращения руля. Электродвигатель используется современный, бесщеточный. Конструкция сервопривода варьируется в зависимости от типа автомобиля и обуславливает различный принцип работы (магнитный или оптический). Элементы датчика крутящего момента — основного датчика системы – устанавливаются на разных концах торсиона, встраиваемого в разрез рулевого вала.

При повороте рулевого колеса возникает закручивание торсиона, чем больше усилие – тем больше закручивается механизм. По показателю изменения взаимного положения частей датчика крутящего момента рассчитывается величина приложенного усилия. Угол поворота руля измеряется соответствующим датчиком. Кроме этого, блок управления получает данные о скорости автомобиля от системы ABS, об оборотах двигателя – от контроллера. На основании этих параметров ЭБУ рассчитывает значение необходимого вспомогательного усилия на руле и подает на электродвигатель питание нужной величины и полярности. Электродвигатель через сервопривод либо вращает рулевой вал, либо перемещает рейку.

Рисунок 1.8. Схема электрических соединений – рулевое управление с электрическим усилителем автомобиля Nissan Qashqai.

Заключение

Исследование показало, что адаптивное рулевое управление обладает рядом преимуществ, таких как улучшение управляемости на дорогах с плохим покрытием и снижение воздействия дорожных вибраций на водителя. Однако, присутствуют проблемы, связанные с низкими температурами, что может привести к некорректной работе системы и увеличению риска дорожно-транспортных происшествий.

Дальнейшее развитие и совершенствование технологии адаптивного рулевого управления требует дополнительных исследований и улучшений, чтобы обеспечить максимальную надежность и безопасность для водителей и пассажиров.

Список литературы

1. Sarikhani, H., et al. "Electromechanical power steering system with reduced compensating torque for vehicle steer-by-wire applications". International Journal of Vehicle Design 74.1 (2017): 1-20.
2. Savaresi, S.M., et al. "Control System Implementation for an Electric Power Steering System". IEEE Transactions on Control Systems Technology 17.2 (2009): 357-366.
3. Tian, L., et al. "Analysis and Control of a Novel Electric Power Steering System for Road Vehicles". IEEE Transactions on Industrial Electronics 60.1 (2013): 173-181.
4. Alonso, R., et al. "Analysis of the Kalman filter in the context of electric power steering". IEEE Transactions on Vehicular Technology 66.5 (2017): 3610-3622.
5. Purcell, C.H., et al. "Automobile Electric Power Steering". Electrical Engineering 73.9 (1954): 754-762.
6. Le Quellec, G., et al. "Innovative design and technology for electric power steering". IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC) (2013): 1-6.
7. Melvin, L.N., et al. "An experimental investigation of a new electrohydraulic power steering system". SAE Technical Paper 1 (2000).