SAPA.pdf

Horia Bele Adrian oica

SIGURANA ACTIV I PASIV A AUTOVEHICULELOR

EDITURA UNIVERSITII DIN ORADEA

2011

Sigurana activ i pasiv a autovehiculelor

2


3

CUPRINS Prefa 7

1 SIGURANA ACTIV A AUTOVEHICULELOR 9 1.1 Aspecte generale privind definirea conceptului de siguran rutier.......9

1.1.1 Sisteme de siguran activ 9 1.1.2 Sisteme de siguran pasiv 11

1.2 Introducere n sistemele de siguran ale autovehiculelor 16 1.3 Concepia unui sistem de siguran activ 19

2 SISTEMUL DE FRNARE CA ELEMENT AL SIGURANEI ACTIVE 23 2.1 Sistem de asistare frn 23

2.1.1 Cauzele i prevenirea accidentelor. Situaii critice n circulaia rutier 23 2.1.2 Conducerea autovehiculului i comportamentul conductorului auto 24 2.1.3 Dinamica frnrii 30

2.2 Sistem de frnare electro-hidraulic 35 2.3 Sistem de frnare electro-mecanic 40 2.4 Sistem de frnare cu asistare electric 41 2.5 Funciile automate ale sistemelor de frnare electronice ale autoturismelor 47

2.5.1 Repartitorul electronic de frnare EBD 48 2.5.2 Funciile suplimentare ale sistemelor de frnare electronice 51

Hydraulic Brake Assist HBA 51 Controlled Deceleration for Parking Brake CDP 51 Hill Hold Control HHC 52 Hill Descent Control HDC 53 Controlled Deceleration for Driver Assistance Systems CDD 53 Hydraulic Fading Compensation HFC 54 Hydraulic Rear Wheel Boost HRB 55 Brake Disc Wiping BDW 56

3 SISTEME DE CONTROL A DINAMICII MICRII AUTOVEHICULELOR 57 3.1 Sistemul de evitare a blocrii roilor ABS (Anti Lock Break System) 57

3.1.1 Exigenele impuse sistemului de evitare a blocrii roilor ABS 57 3.1.2 Circuitul de reglare a sistemului de evitare a blocrii roilor ABS 58 3.1.3 Cicluri tipice de reglare a sistemului de evitare a blocrii roilor ABS 64

Reglarea frnrii pe o osea aderent (coeficient de aderen ridicat) 64 Reglarea frnrii pe osea alunecoas (coeficient de aderen redus) 65

3.2 Sistemul de prevenire a patinrii roilor motoare ASR (Anti Slipping


4

Regulator) 67 3.3 Sistemul de control al stabilitii autovehiculului ESP (Electronic Stability Program) 69

3.3.1 Elementele componente ABS/ESP 73 Senzori ABS/ESP 73 Grupul hidraulic ABS/ESP 77

3.4 Sistemul de asistare a direciei 83 3.4.1 Generaliti privind sistemele de direcie 83

4 ALTE SISTEME DE SIGURAN ACTIV 89 4.1 Sistemul de suspensie adaptiv i activ 89 4.2 Sistem adaptiv de control al deplas-rii/vitezei de circulaie (croazierei) ACC (Adaptive Cruise Control) 90 4.3 Sistemul electronic de supraveghere a presiunii din pneuri 92

4.3.1 Generaliti 92 4.3.2 Principiul de funcionare a sistemului electronic de supraveghere a presiunii din pneuri. 92

4.4 Sistemul de iluminare 94 5 SIGURANA PASIV A AUTOVEHICULELOR 107 6 CADRELE I CAROSERIILE AUTOVEHICULELOR 113

6.1 Caroseriile autovehiculelor. Rolul, condiiile impuse i clasificarea caroseriilor 113 6.2 Cadrul i asiul autovehiculelor. Rol i caracteristici 114

6.2.1 Construcia cadrelor 116 Cadrele clasice 116 Cadrul de tip dreptunghiular 123 Cadrul cu ntrituri 123

6.2.2 Construcii speciale 124 6.3 Caroseriile autoturismelor 126 6.4 Caroseriile autobuzelor 136 6.5 Caroseriile autocamioanelor 141

7 ELEMENTE PRIVIND PROIECTAREA I CALCULUL CAROSERIILOR 143

7.1 Generaliti 143 7.2 Tendine n realizarea autovehiculului sigur 143

7.2.1 Modele matematice simple ale impactului dintre autovehicule 145 7.2.2 Modele matematice complexe ale automobilului 147

7.3 Determinri teoretice ale energiei disipate i ale rigiditii structurii autoturismelor 151 7.4 Calculul i construcia barelor paraoc 156

7.4.1 Generaliti, soluii constructive 156 7.4.2 Starea de solicitare a barelor paraoc 158 7.4.3 Stabilirea modelului de calcul 160 7.4.4 Calculul de rezisten pentru bara din polipropilen cu armtur de metal n ipoteza deformrii plastice 162


5

7.4.5 Calculul simplificat al barelor paraoc 166 7.5 Calculul de rezisten a caroseriilor utiliznd metode clasice 168 7.6 Deformaiile de torsiune i ncovoiere ale lonjeroanelor 174

8 SISTEME DE PROTEJARE A VIEII PASAGERILOR UNUI AUTOVEHICUL. PRINCIPII. 181

8.1 Metode de reinere a ocupanilor unui autovehicul 182 8.1.1 Analogia oului i metodele de aplicare ale acestui principiu 182

Cazul 1: vehicul puin deformabil, pasager nereinut 182 Cazul 2: vehicul deformabil, pasager nereinut 183 Cazul 3: vehicul deformabil, pasager reinut rigid 184 Cazul 4: vehicul deformabil, ocupant reinut cu sisteme nerigide 184

8.1.2 Imperfeciunile sistemelor clasice de tip centur de siguran 185 8.1.3 mbuntirea reinerii n cazul unui oc frontal 185 8.1.4 Eficacitatea airbagului 186

8.2 Concepia sistemelor de siguran pasiv interioar 186 8.3 Ansamblul centur de siguran 188

8.3.1 Generaliti 188 8.3.2 Retractorul acionat mecanic 188 8.3.3 Retractorul cu blocare comandat electronic 190 8.3.4 Mecanismul de pretensionare a centurii de siguran 191 8.3.5 Limitatorul de efort 193 8.3.6 Ajustarea nlimii de prindere a centurilor. Centuri de siguran ancorate de scaun. Tetiere. 194

8.4 Ansamblu AIRBAG 198 8.4.1 Noiuni de baz 198 8.4.2 Sistemul de aprindere gaz-hibrid 202 8.4.3 Determinarea cantitii de combustibil necesar umflrii unui airbag 203 8.4.4 Evoluia airbagului 204 8.4.5 Dezactivarea airbagului 204 8.4.6 Dezvoltarea sistemelor airbag 205 8.4.7 Unitatea electronic de comand - Arhitectur i funcionalitate. Senzori utilizai la sistemele de siguran pasiv 209 8.4.8 Sigurana la volan. Poziia corect de conducere 215

Bibliografie 217


6


7

Prefa Una dintre problemele foarte importante din perioada actual este cea legat de mrirea

securitii n circulaia rutier. Practic, securitatea rutier desemneaz un complex de activiti care au drept scop reducerea numrului i a consecinelor accidentelor rutiere, iar apariia acestei tiine a fost determinat de agravarea consecinelor, devenite inacceptabile pentru societate, att sub aspectul suferinelor umane (mori i rnii), ct i sub aspectul pierderilor materiale importante.

n egal msur, structura caroseriei mpreun cu elementele de siguran ale pasagerilor i pietonilor sunt elemente eseniale care definesc stilul, potenialul de securitate, dinamicitatea, precum i cota de pia ale unui anumit model de autovehicul.

Lucrarea elaborat vine s rspund unora dintre problemele de actualitate din aceast perioad: posibilitile de mbuntire a siguranei active i pasive a autovehiculelor.

ntr-o prim faz, sunt prezentate aspectele generale privind sigurana rutier, cu cele 2 componente ale acesteia: sigurana activ i sigurana pasiv. n continuare, sunt prezentate sistemele autovehiculului, cu toate dezvoltrile acestora, sub aspectul influenei acestora asupra siguranei active a autovehiculelor: sistemul de frnare (ncepnd cu o scurt prezentare a sistemului clasic, ca i punct de plecare, continund apoi cu sistemul electro-hidraulic, electro-mecanic i cel de asistare electric, finaliznd cu funciile automate ale sistemului de frnare electronic), sistemele de control al dinamicii autovehiculelor (ABS Anti Lock Break System, ASR Anti Slipping Regulator, ESP Electronic Stability Program i sistemul electronic activ de asistare a direciei), precum i alte sisteme care influeneaz sigurana activ (sistemul de suspensie adaptiv i activ, sistemul adaptiv de control al deplasrii/vitezei de circulaie (croazierei) - ACC (Adaptive Cruise Control), sistemul electronic de supraveghere a presiunii din pneuri i sistemul de iluminare).

n partea a doua sunt prezentate aspectele generale privind sigurana pasiv a autovehiculelor. n capitolele dedicate acestui domeniu se face o prezentare exhaustiv a soluiilor constructive pentru structurile de rezisten i a caroseriilor autovehiculelor, se evalueaz algoritmul frecvent utilizat pentru verificarea i modelarea comportamentului unei noi caroserii, pornind de la scenariile posibile de impact, nregistrarea i evaluarea deformaiilor, continund cu elemente specifice utilizate pentru absorbia i disiparea energiei de impact i cu modul n care se reflect toate acestea n procesul de proiectare. n capitolul Subansamblele sistemelor de reinere i protecie a pasagerilor sunt prezentate principalele sisteme de protecie a ocupanilor unui autovehicul, centura de siguran i airbagul. Sunt trecute n revist etapele care trebuiesc urmrite de fabricanii de centuri de siguran, pentru conceperea de produse care s fie conforme cu regulamentele n vigoare. ntr-o prezentare exhaustiv, bogat completat de scheme i imagini sunt prezentate: mecanismul retractor cu blocare mecanic i electric, mecanismul de pretensionare a centurii de siguran, mecanismul limitator de efort i modalitile de ancorare a centurilor de siguran n autovehicul. Sunt prezentate de asemenea noinile de baz privind sistemul airbag, tipuri de airbag existente, un model de calcul pentru cantitatea de combustibil utilizat la umflarea, rolul unitii electronice de declanare a sistemului airbag. De asemenea se face referire asupra unor reguli minimale care trebuie respectate atunci cnd ne aflm ntr-un autovehicul echipat cu sisteme airbag, precum i efectele nefaste ale nerespectrii acestora.


8

n elaborarea lucrrii au fost valorificate o serie de lucrri din literatura de specialitate strin i autohton, precum i contribuiile personale ale autorilor, punnd n eviden calitile didactice i de cercettor ale autorilor.

Lucrarea este valoroas att sub aspectul coninutului, ct i prin forma de elaborare, problemele tratate fiind susinute de un bogat material grafic, sub form de figuri, tabele, ecuaii, riguros i clar prezentate.

Totodat, lucrarea ofer noi deschideri n domeniul vast al siguranei rutiere, cu cele 2 componente ale acesteia: sigurana activ i sigurana pasiv, tuturor celor interesai: studeni, ingineri, specialiti, cercettori.

Autorii


9

1 SIGURANA ACTIV A AUTOVEHICULELOR

1.1 ASPECTE GENERALE PRIVIND DEFINIREA CONCEPTULUI DE SIGURAN RUTIER

n completarea componentelor transmisiei autovehiculelor (motor, cutie de viteze), care asigur deplasarea acestuia, sistemele de conducere care limiteaz naintarea i ncetinirea acestuia, joac un rol foarte important. De fapt, ele sunt cele care fac posibil deplasarea sigur a autovehiculului n trafic, iar sistemele care asigur protecia pasagerilor, n caz de accident, au devenit indispensabile n conjunctura actual [Bos02c].

Factorii care influeneaz sigurana conducerii unui autovehicul, n contextul circulaiei rutiere actuale sunt:

starea general a autovehiculului (nivelul de echipare, starea pneurilor, fenomenele de uzur);

condiiile meteorologice, starea drumurilor i condiiile de circulaie (de exemplu: vnt lateral, suprafaa oselei sau densitatea traficului);

experiena conductorului auto, aptitudinile sale i starea sa psihic. La origine, era n special sistemul de frnare, pe lng sistemul de iluminare i sistemul

de direcie, toate aceste sisteme avnd cel mai important rol n sigurana conducerii autovehiculului. Datorit interveniei lor active, aceste sisteme de siguran mai sunt numite i sisteme de siguran activ. Sistemele de siguran integrate, care corespund celui mai recent stadiu al tehnicii, mbuntesc foarte mult sigurana n timpul rulrii autovehiculului.

Frnele reprezint un component esenial al oricrui autovehicul, ele fiind indispensabile pentru deplasarea sigur a automobilului n trafic. La nceputul istoriei autovehiculului, exigenele impuse sistemului de frnare erau cu mult mai puin severe dect cele impuse astzi, datorit vitezelor mici de deplasare i a densitii sczute a traficului rutier. De-a lungul timpului, sistemul de frnare a cunoscut o perfecionare continu, iar n momentul de fa vitezele mari de deplasare sunt n realitate posibile datorit sistemelor fiabile care asigur frnarea eficace i oprirea sigur a autovehiculului, chiar i n situaii critice.

Ca n toate sectoarele tehnicii autovehiculului, electronica i-a fcut de asemenea apariia i la nivelul sistemelor de siguran. Exigenele impuse ntre timp sistemelor de siguran nu au putut fi satisfcute dect cu asisten electronic. Din punct de vedere conceptual (fig. 1.1), sigurana rutier [Bel96], [Bel99], [Bel07] [Gai04], [Bos04b] cuprinde dou mari categorii:

sigurana (sau securitatea) activ; sigurana (sau securitatea) pasiv.

1.1.1 Sisteme de siguran activ

Aceste sisteme contribuie la evitarea accidentelor i particip preventiv la sigurana rutier. Cteva exemple de sisteme de securitate activ:

sisteme de evitare a blocrii roilor la frnare (ABS);


10

sisteme de prevenire a patinrii roilor la traciune (ASR); sisteme de control al stabilitii (ESP);

Aceste sisteme de siguran menin stabilitatea autovehiculului n situaii critice, asigurnd astfel manevrabilitatea.

n plus, fa de contribuia lor la sigurana conducerii, sisteme ca regulatorul adaptiv de vitez (ACC, Adaptive Cruise Control), joac un rol esenial n confortul conducerii, meninnd distana fa de autovehiculul precedent, decuplnd automat acceleraia sau intervenind activ asupra frnelor.

Sigurana n timpul conducerii autovehiculului este rezultatul unui design armonios al asiului i suspensiei, cu referire la ghidarea roilor, suspensie, direcie i frnare, acestea reflectndu-se ntr-un comportament dinamic optim al autovehiculului [Bos04a].

Fig. 1.1 Sigurana rutier. Concepte i factori de influen.

Sigurana condiionat rezult din meninerea tensiunii fiziologice la care sunt supui ocupanii autovehiculului datorit vibraiilor, zgomotului i condiiilor climatice, la un nivel ct mai sczut cu putin. Este unul din factorii semnificativi pentru reducerea probabilitii unei manevre greite n trafic.

Vibraiile cuprinse n plaja de frecvene (1...25) Hz (smucituri, zglituri) in-duse de ctre roi i componentele sistemului de propulsie ajung la ocupanii autove-hiculului prin


11

intermediul caroseriei, scaunelor i volanului. Efectul acestor vibraii este mai mult sau mai puin pronunat, depinznd de sens, amplitudine i durat.

Zgomotele produse ca perturbaii acustice n interiorul i n jurul autovehiculului pot proveni din surse interne (motor, cutie de viteze, arbori de transmisie, puni) sau surse externe (interaciunea dintre roat i drum, zgomotele produse de vnt). Ele sunt transmise pe calea aerului sau prin intermediul caroseriei.

Msurile de atenuare a nivelului sonor privesc pe de o parte dezvoltarea unor componente ct mai silenioase, eventual izolarea ct mai bun a surselor de zgomot (de exemplu: insonorizarea motorului), iar pe de alt parte, amortizarea zgomotelor prin utilizarea materialelor fono-absorbante sau dispozitive insonorizante.

Influenele climatice includ n primul rnd temperatura aerului, umiditatea aerului, debitul i presiunea aerului.

Sigurana privind percepia Msurile pentru mrirea siguranei privind percepia sunt concentrate pe: sistemul de iluminare; sistemele de avertizare acustic; vizibilitatea direct i indirect (vizibilitatea conductorului auto: unghiul

obscuritii binoculare pentru ambii ochi ai conductorului auto for-mat de stlpii parbrizului n form de A nu trebuie s fie mai mare de 6)

Sigurana operaional Pentru a solicita la minim conductorul auto i pentru a crete sigurana n timpul

conducerii autovehiculului, toate elementele de comand trebuie s poat fi atinse i acionate optim de pe poziia scaunului conductorului auto.

1.1.2 Sisteme de siguran pasiv

Aceste sisteme servesc la protejarea pasagerilor de rniri grave n caz de accident. Ele reduc riscul de rnire i diminuaz consecinele unui accident.

Exemplele de echipamente de siguran pasiv sunt materializate prin centurile de siguran prescrise prin legislaie i airbag-urile care se gsesc acum n diferite puncte ale habitaclului, sub form de airbag-uri frontale i/sau laterale [Bos04a].

Sigurana exterioar Termenul de siguran exterioar nglobeaz toate msurile cu privire la autovehicul

care sunt destinate pentru a minimiza gravitatea leziunilor asupra pietonilor, biciclitilor i motociclitilor n cazul unui accident. Factorii care determin sigurana exterioar sunt:

comportamentul caroseriei la deformare; forma exterioar a caroseriei.

Obiectivul esenial este de a proiecta autovehiculul (n special n zonele de contact posibile), n aa fel nct forma sa exterioar s reduc la minim consecinele n cazul unei coliziuni primare (o coliziune care implic persoane aflate n afara autovehiculului i autovehiculul n sine).

Leziunile cele mai grave pe care le sufer pietonii sunt rezultate n urma impac-tului cu partea din fa a autovehiculului sau cu oseaua, la care se adaug secvena desfurrii accidentului care depinde n mare msur de mrimea corpului uman.

Consecinele coliziunilor n care sunt implicate vehicule pe dou roi i autovehicule pot


12

fi uor reduse prin design-ul autovehiculului, datorit componentei considerabile a energiei proprii a autovehiculelor pe dou roi, nlimea mare a poziiei scaunului i dispersia larg a punctelor de contact. Caracteristicile de design care pot fi ncorporate unui autovehicul sunt de exemplu:

faruri mobile (escamotabile); tergtoare de parbriz ascunse (sub nivelul capotei); stropitoare de parbriz ascunse; mnere ascunse ale uilor;

Sigurana interioar Termenul de siguran interioar nglobeaz toate msurile tehnice cu privire la

autovehicule, care sunt luate pentru a minimiza acceleraiile i forele care acioneaz asupra ocupanilor autovehiculului n cazul unui accident, oferind un spaiu suficient pentru a supravieui i asigurnd funcionarea componentelor autovehiculului care sunt indispensabile pentru scoaterea ocupanilor din habitaclu, n cazul n care a avut loc un accident.

Factorii determinani pentru sigurana ocupanilor sunt: comportamentul caroseriei la deformare; rezistena habitaclului autovehiculului i mrimea spaiului de supravieuire n

timpul impactului i dup impact; sisteme de reinere; zonele de impact din interiorul habitaclului; sistemul de direcie; descarcerarea ocupanilor autovehiculului; protecia mpotriva incendiului.

Regulamentele cu privire la sigurana interioar a autovehiculului (n cazul unui impact frontal) sunt urmtoarele:

protejarea ocupanilor autovehiculului n cazul unui accident, n special prin intermediul sistemelor de reinere (Regulamentele ECE-ONU nr. 94 i 95, criteriile leziunilor);

montajul parbrizului; penetrarea parbrizului de componente ale caroseriei; capacele spaiilor de depozitare din interiorul habitaclului cutia port-acte; prevenirea scurgerilor de combustibil.

Sisteme de siguran anticipative PRE SAFE Sistemele de reinere utilizate la ora actual sunt n primul rnd proiectate pentru cel

mai ru caz, de aceea nu pot oferi ocupanilor protecie optim n toate situaiile. Dac ocupanii sunt ntr-o poziie nefavorabil, sistemele de reinere pot chiar s devin periculoase.

Soluia pentru continuarea mbuntirii pe viitor a siguranei ocupanilor, este de a adopta o distincie strict ntre sigurana activ i sigurana pasiv, cu condiia ca acestea s fie considerate ca sisteme suprapuse, i nu ca sisteme independente. Sistemele de pre-siguran PRE SAFE, exploateaz toate sinergiile existente ntre dispozitivele de siguran, procednd la punerea ntr-o reea comun sau chiar con-topirea tuturor senzorilor de siguran. Rolul senzorilor de pre-coliziune nu este nu-mai de a preveni un impact iminent, ci i de activare a sistemelor de protecie a ocu-panilor, imediat ce sunt detectate situaii critice


13

de conducere ale autovehiculului. Sistemele PRE SAFE, folosesc elemente de siguran activ, pregtind au-

tovehiculul n situaii critice de conducere, ocupanii i sistemele de reinere pentru un eventual accident i deci, pentru a mbunti sigurana pasiv. Astfel de sisteme de prevenire permit, datorit unei activri anticipate i mai lente, perfecionarea siguranei i compensarea eventualelor erori ale sistemelor de reinere existente.

Testele de evaluare la impact agreate la momentul de fa sunt: programul de evaluare a autovehiculelor noi NCAP (New Car Assessment

Program), n SUA, Europa, Japonia i Australia; IIHS (SUA, testul pentru companiile de asigurri).

Comportamentul caroseriei la deformare Din cauza frecvenei cu care au loc coliziunile frontale, un rol important este jucat de

reglementrile legale pentru testele la impact frontal, n decursul crora un autovehicul este proiectat cu o vitez de 48.3 km/h (30mph) ntr-un obstacol vertical rigid, care este perpendicular sau nclinat la un unghi de pn la 30, n raport cu axa longitudinal a autovehiculului.

n figura 1.2 se prezint distribuia accidentelor cu vtmari corporale ale ocupanilor [Bos04a], n funcie de tipurile de coliziuni.

Sursa: GIDAS (German In-Depth Accident Study), situaia din octombrie 2002 [Bos04a]

Fig. 1.2 Principalele zone de deformare ale unui autovehicul, n cazul coliziunilor primare, cu vtmari corporale ale ocupanilor.

Deoarece 50% din totalul coliziunilor frontale n traficul cu circulaie pe partea dreapt implic n primul rnd partea din stnga fa a autovehiculului, productorii din ntreaga lume efectueaz testele pentru impactul stnga fa, acoperind 30...50% din limea autovehiculului.

ntr-o coliziune frontal, energia cinetic este absorbit prin deformarea brii de protecie a prii din fa a autovehiculului i, n cazuri mai grave, a prii din fa a habitaclului (zona despritorului dintre compartimentul motorului i habitaclu). Punile, roile (jantele) i motorul limiteaz lungimea de deformare. Sunt necesare lungimi de deformare adecvate i componente deplasabile (de exemplu: componentele transmisiei), pentru a minimiza acceleraiile habitaclului. n funcie de concepia autovehiculului (forma


14

caroseriei, tipul de transmisie i poziia motorului), masa i mrimea acestuia, pot rezulta deformaii permanente ale zonei frontale de la 0,4 la 0,7 m, n urma unui impact frontal cu un obstacol la vitez de aproximativ 50 km/h (fig. 1.3). Avariile asupra compartimentului ocupanilor trebuie s fie minime. Aceasta implic n primul rnd:

zona despritorului dintre compartimentul motorului i habitaclu (deplasarea sistemului de direcie, a planei de bord, pedalelor, diminuarea spaiului pentru picioare);

planeul autovehiculului (nlarea sau nclinarea scaunelor); structura lateral (posibilitatea de a deschide uile dup un accident).

Sursa: [Bos04a]

Fig. 1.3 Acceleraia, viteza i deplasarea unui habitaclu n cazul unei coliziuni cu un obstacol la 50 km/h.

Trebuie, de asemenea, respectate cerinele n ceea ce privete prevenirea scurgerilor de combustibil. Msurtorile acceleraiei i evaluarea nregistrrilor de mare vitez permit o analiz precis a comportamentului la deformare. Manechini de diferite dimensiuni sunt folosii pentru a simula ocupanii autovehiculului i furnizeaz date msurate pentru forele ce acioneaz asupra capului, gtului, pieptului i picioarelor.

Valorile acceleraiei capului sunt folosite pentru a determina criteriul de vtmare a capului (HIC Head Injury Criterion). Compararea datelor obinute de la manechini cu limitele admisibile, de exemplu: pentru un adult de sex masculin, de talie medie (cu o

probabilitate de 50% de a fi ntlnit), (HIC: 700, acceleraia pieptului: 60

3

g ms, fora asupra

coapselor: 10 kN, unde: g = 9,81 [m/s2] acceleraia gravitaional) nu furnizeaz dect informaii limitate.

Impactul lateral, urmtorul dintre cele mai frecvente tipuri de accidente, dup impactul frontal, prezint un nivel mare de risc pentru leziunile ocupanilor autovehiculului din cauza capacitii limitate de absorbie a energiei de ctre componentele structurale i a gradului mare de deformare a habitaclului rezultat (interiorul habitaclului autovehiculului).

Rezistena structural a prii laterale a autovehiculului (legtura ntre montani i portiere, racordarea montanilor n partea superioar i inferioar), ncrcarea admisibil a traverselor planeului i scaunelor, ct i design-ul interior al portierelor (Regulamentul ECE-ONU nr. 95, Euro NCAP i US SINCAP) au o influen determinant asupra riscului de a suferi leziuni. Airbag-urile suplimentare de la nivelul portierelor/scaunelor i plafonului, contribuie considerabil la reducerea riscului de producere de leziuni.


15

Testul la impact din spate nu trebuie s provoace deformaii ale habitaclului (sau doar deformaii minore). n urma impactului, portierele trebuie s poat fi nc deschise, muchia haionului din spate nu trebuie sa penetreze habitaclul prin luneta spate, iar rezervorul de combustibil i conductele de alimentare cu combustibil, trebuie s rmn etane.

Testele de rsturnare (rollover tests) i testele cvasi-statice de deformare a plafonului, permit studierea structurii plafonului.

n plus, unii productori supun autovehiculele la testul de cdere a autovehiculului rsturnat pe plafon, pentru a testa rezistena la deformare a structurii plafonului (spaiul de supravieuire), n condiii extreme (autovehiculul cade de la o nlime de 0,5 m pe partea stnga frontal a plafonului).

Sistemul de direcie Cerinele legale (Regulamentul ECE-ONU nr. 12) reglementeaz deplasarea maxim a

captului superior al coloanei de direcie nspre conductorul auto (maxim 127 mm, la un impact frontal la viteza de 48,3 km/h) i limita forei de coliziune a unui mecanism de testare asupra sistemului de direcie (maxim 1.111 daN la o vitez de coliziune de 24,1 km/h). Partea inferioar a coloanei de direcie este special conceput pentru a permite deformaii longitudinale i transversale, utiliznd ntre altele: tuburi ondulate, tuburi cu armtur i elemente de rupere.

Sisteme de reinere a ocupanilor Centura de siguran automat Cele mai des utilizate centuri de siguran, cu prindere n trei puncte cu mecanism

retractor (centura de siguran automat), reprezint un compromis ntre sigurana efectiv, cost, confortul n timpul purtrii i uurina legrii. Dac autovehiculul atinge o deceleraie bine determinat, un dispozitiv de blocare rapid ncorporat (cu clichet), blocheaz centura de siguran.

Sisteme de pretensionare a centurii de siguran n industria de autovehicule se utilizeaz diferite tipuri de sisteme de pretensionare: cu articulaie; cu cablu; cu cremalier; cu mecanism rotativ.

Sistemele de pretensionare constituie o perfecionare evolutiv a centurii de siguran automat, cu prindere n trei puncte. Reducnd strngerea centurii de siguran, se diminueaz riscul de deplasare spre nainte a ocupanilor, n caz de accidente grave. Aceste dispozitive permit reducerea diferenei de vitez dintre autovehicul i ocupani, i reduc de asemenea, forele ce acioneaz asupra ocupanilor. Limitatoarele de efort asigur reglarea centurii dup ce aceasta a fost legat, pentru a preveni toate suprasolicitrile poteniale la nivelul pieptului. Aceste sisteme funcioneaz n paralel cu airbag-urile frontale.

Airbag-urile (frontale, laterale, cortin) ajut la prevenirea sau reducerea impactului ocupantului cu componentele interioare ale habitaclului (volan, plan de bord, portiere, geamuri, stlpii plafonului).

n figura 1.4 se prezint un autoturism echipat cu sisteme i componente de siguran, rspunznd stadiului actual al tehnicii autoturismelor:


16

Sursa: [Bos02c]

Fig. 1.4 Sisteme de siguran ale autoturismului: 1 frna cu disc; 2 senzor de vitez a roii; 3 generatorul de gaz al airbagului care protejeaz picioarele; 4 calculator ESP (integreaz funciile ABS i ASR); 5 generatorul de gaz al airbagului care protejeaz genunchii; 6 - generatoarele de gaz ale airbag-urilor frontale din partea conductorului auto i pasagerului (cu dou nivele de declanare); 7 generatorul de gaz al airbagului

lateral; 8 generatorul de gaz al airbagului care protejeaz capul; 9 grup hidraulic ESP; 10 senzorul de unghi de bracare; 11 calculator airbag-uri; 12 senzor fa; 13 senzor de predetectare a impactului; 14 servofrn cu cilindru principal i pedal de frn; 15

levier de comand a frnei de staionare; 16 senzor de acceleraie; 17 senzor de detectare a ocupantului scaunului; 18 centur de siguran cu pretensionare.

1.2 INTRODUCERE N SISTEMELE DE SIGURAN ALE AUTOVEHICULELOR

Sistemele inteligente utilizate pentru asigurarea unui grad sporit de securitate a autovehiculului i mai ales a conductorului auto, se mpart n dou categorii: sisteme de siguran activ i sisteme de siguran pasiv [Gai04].

Sistemele de siguran (sau securitate) activ, contribuie la prevenirea sau evitarea unor accidente ce decurg dintr-o manevrare necorespunztoare a autovehiculului, de regul, pe fondul unor condiii neprielnice ale cii de rulare i/sau mediului nconjurtor. Deoarece manevrarea necorespunztoare se traduce printr-o cinematic i poziionare neadecvat a roilor cu sau fa de calea de rulare, sistemele de siguran activ acioneaz asupra sistemelor componente ale autovehiculului ce modific cuplul i poziia acestora, adic: sistemul de frnare, sistemul de propulsie (lanul propulsor) i sistemul de direcie. Un sistem de siguran activ poate s controleze funcionarea uneia din cele trei componente i n acest sens sunt bine-cunoscute sistemele de evitare a blocrii roilor la frnare ABS (Anti Lock Break System), sistemele de prevenire a patinrii roilor la traciune (abreviere german ASR (Anti Slipping Regulator), abreviere englez - TCS) i sistemele active de direcie. Exist, mai nou, sisteme de siguran activ a cror funcionalitate nglobeaz dou sau chiar pe toate cele trei componente amintite anterior, ele fiind denumite generic sisteme inteligente


17

de control al stabilitii autovehiculelor ESP (Electronic Stability Program, abreviere german ASMS). De asemenea, exist variante ale acestora precum sistemele active de distribuie a forei de frnare (abreviere german EBV, abreviere englez EBD), sau sistemele de control al momentului de rsucire (abreviere german GMR, abreviere englez YTC). n prezent, se cunoate un mare numr de astfel de sisteme, iar importana lor crete continuu, o dat cu impunerea unor standarde din ce n ce mai restrictive de siguran i confort.

Caracteristica de baz a sistemelor de siguran activ const n meninerea, pe ct posibil a stabilitii direciei de rulare i manevrabilitii autovehiculului n momente critice de rulare precum patinri, derapri n curbe, blocri ale roilor pe carosabil alunecos, apariia neateptat de obstacole etc. Principalele cerine impuse unui sistem de siguran activ constau n:

posibilitatea de a oferi un bun control al autovehiculului printr-un rspuns rapid i precis la comenzile conductorului auto;

asigurarea unei bune stabiliti a autovehiculului caracterizat de ct mai puine modificri ale inutei de drum n raport cu variaiile mai mult sau mai puin importante ale condiiilor de rulare;

existena unei bucle de control, autovehiculul i conductorul auto fiind parte integrant a acesteia i care s realizeze o convergen ntre mrimile de intrare i comenzile generate spre autovehicul astfel nct, conductorul auto s poat percepe i recunoate rapid condiiile de rulare, iar comportamentul autovehiculului s fie corect estimat.

Funcionarea sistemelor de siguran activ se face printr-o asistare a conductorului auto n controlul autovehiculului, mai mult sau mai puin perceput, n ncercarea de a evita pe ct posibil producerea unui accident, ca urmare a condiiilor neprielnice de rulare. Datorit faptului c aceast asistare se declaneaz o dat cu detectarea primelor semne de apariie a situaiilor de pierdere a controlului i stabilitii, sistemele de siguran activ sunt concepute s lucreze la limita de stabilitate fizic a autovehiculelor.

Sistemele de siguran pasiv, intr n funciune o dat ce evitarea accidentului nu mai este posibil, iar scopul lor primar const n protejarea persoanelor din habitaclu att prin reducerea riscului de vtmare corporal ct i prin diminuarea severitii consecinelor accidentului respectiv. Dintre aceste sisteme, cele mai ntlnite sunt: airbagul, centurile de siguran cu pretensionare declanat, tetiere gonflabile, coloane de direcie autoretractabile, etc. Trebuie remarcat faptul c aceste sisteme nu intervin dect o singur dat, cnd, cu toat asistena sistemelor de siguran activ accidentul nu mai poate fi evitat. Acesta este momentul cnd ele se activeaz, n rest rmn nite elemente pasive ca funcionare.

O alt categorie de sisteme de siguran pasiv sunt cele mecanice ale caroseriei, cu rol de protecie, precum ranforsrile structurii habitaclului, barele absorbante de ocuri, capotele din materiale cu grad variabil de deformare i absorbie a ocurilor mecanice, etc. Toate aceste elemente mecanice de siguran pasiv nu nglobeaz, cel puin pn n acest moment, inteligen proprie ca expresie a unui control electronic numeric, deosebindu-se astfel de sistemele de siguran pasiv din prima categorie.

Evoluia sistemelor de siguran i creterea gradului de siguran a pasagerilor rezultat n urma introducerii lor sunt exemplificate n figura 1.5.


18

Sursa Gaiginschi R. .a. Sigurana circulaiei rutiere. Vol I.

Fig. 1.5 Evoluia sistemelor de siguran la autovehicule.

Dup cum se poate observa, n viitorul apropiat se preconizeaz o evoluie fr precedent a sistemelor de siguran, att ca diversitate, ct i ca grad de complexitate. Dei conducerea unui autovehicul este o operaie destul de complex, prin nvare i practic, cei mai muli conductori auto percep aceast sarcin ca pe un lucru simplu, fr a mai acorda atenia cuvenit sistemului de ansamblu: autovehicul, conductor auto, mediu extern.

Aceast percepie este valabil n condiiile normale de trafic. n situaiile critice, mai ales cele aprute brusc n timpul conducerii, majoritatea conductorilor auto tind s acioneze sub impulsul reflexelor formate n condiii normale de trafic i care nu sunt nici pe departe cele corecte i impuse n aceste situaii de anormalitate. Astfel, ci dintre conductorii auto nu au tendina de a rsuci volanul n sens contrar celui de derapare a prii frontale a autovehiculului cnd de fapt, pentru a evita amplificarea giraiei, direcia corect a rsucirii volanului trebuie s coincid cu cea de derapaj. Sau ci dintre conductorii auto pui n faa apariiei brute a unui obstacol n faa autovehiculului, iau n calcul posibilitatea schimbrii benzii de rulare, apreciaz rapid i corect starea carosabilului sau lipsa obstacolelor laterale, fr a fi n primul rnd tentai s apese rapid i total frna. Sunt cazuri n care, orict de experimentai ar fi, conductorii auto nu pot estima situaiile de grani dintre mersul normal i cele de pierdere a controlului, numite situaii limit de stabilitate fizic a autovehiculului. Ei nu percep i nu vor recunoate astfel ct de aproape de aceast limit au fost n diverse situaii ale traficului.

Un astfel de exemplu const n pierderea stabilitii prin blocarea roilor datorit frnrii pe carosabil cu aderen sczut. Orict de experimentat ar fi, un conductor auto nu poate sesiza care este roata sau momentul cnd aceasta ncepe s se blocheze, el percepe doar efectul ntrziat al acestei blocri i anume pierderea direciei i a posibilitii de manevrare a autovehiculului. Uneori, acest moment este att de ntrziat nct, indiferent de experiena celui de la volan, redresarea autovehiculului este imposibil. Chiar dac ar fi posibil detectarea imediat a roilor blocate, un sistem clasic de frnare cu acionare simultan pe toate cele patru roi nu ar putea rezolva corect aceste condiii de pierdere a aderenei. Situaiile expuse anterior sunt mult amplificate ca gravitate n cazul autovehiculelor cu mas crescut, sau mai ales a celor cu remorc.


19

Sistemul ABS, ca sistem activ inteligent de siguran, este prevzut cu senzor de msur a turaiei pentru fiecare roat. Algoritmi compleci, executai rapid de unitatea electronic de control permit determinarea precis a roii/roilor blocate n cteva sutimi de secund, reducndu-se corespunztor presiunea de frnare doar pe ele, desigur tot sub comanda computerului ABS.

Sistemele de siguran activ, ca sisteme inteligente, sunt astfel concepute nct s fac posibil adaptarea comportamentului i rspunsului autovehiculului la dorinele i posibilitile conductorului auto. Din acest motiv, studiul interfeei conductor auto - autovehicul (om-main) are o importan deosebit. Nu este posibil conceperea unui sistem inteligent de siguran activ, controlabil i robust, fr a cunoate n prealabil forele i interaciunile dintre cele trei subansamble: autovehicul, conductor auto, cale de rulare.

1.3 CONCEPIA UNUI SISTEM DE SIGURAN ACTIV

Atunci cnd manevreaz autovehiculul, conductorul auto dispune, n principiu de trei elemente de acionare (volanul, pedala de acceleraie i pedala de frn) care constituie interfaa om-main. n urma aciunii acestor trei elemente, autovehiculul capt o anumit traiectorie considerat de conductorul auto cea mai apropiat de cea dorit. Din interaciunea dintre autovehicul i drum realizat prin intermediul pneurilor, n funcie de condiiile externe, de experiena conductorului auto sau de apariia unor situaii neprevzute, traiectoria urmat de autovehicul poate diferi de cea estimat. Se impune astfel o corecie pentru stabilizarea traiectoriei, mai mult sau mai puin important, ce poate fi perceput ca o reacie a conductorului auto la rspunsul interaciunii dintre autovehicul i calea de rulare. Acest rspuns este invers proporional cu capacitatea conductorului auto de a estima condiiile iniiale de manevrare, respectiv cu experiena acestuia [Gai04].

Ca orice sistem de comand ce funcioneaz n bucl de reacie (feed-back), conducerea autovehiculului implic un element condus, maina, respectiv un element de reacie, n acest caz conductorul auto, a crui intervenie direct survine ca un rspuns la instabilitatea sistemului de condus. n figura 1.6 este prezentat, ca exemplificare, sistemul de direcie perceput prin prisma interaciunii om-main-mediu exterior, ca sistem de reglare n bucl nchis.


20

Sursa Gaiginschi R. .a. Sigurana circulaiei rutiere. Vol I.

Fig. 1.6 Manevrarea direciei autovehiculului privit ca element al buclei de reacie

Sistemele inteligente de siguran activ sunt concepute s funcioneze tot ca sisteme n bucl nchis, ce menin omul ca element de reacie, dar corecteaz i mbuntesc timpul de reacie printr-o bucl suplimentar prevzut cu senzori i dispozitive numerice de calcul.

Mrimea de comand este reprezentat de unghiul de rotire a volanului s . Ca urmare a acestei comenzi, autovehiculul capt o anumit traiectorie definit printr-o serie de parametri, cei mai importani fiind unghiul i viteza de giraie (prin giraie se nelege rotirea autovehiculului n jurul unei axe verticale ce trece prin centrul de greutate), deplasarea, viteza longitudinal i lateral, respectiv raza de virare. Rezultatul variaiei acestor mrimi este perceput de conductorul auto prin diverse simuri precum vederea, auzul sau prin organele interne de control al echilibrului i sesizare a nclinrii corpului. De asemenea, forele ce acioneaz asupra autovehiculului datorate acceleraiilor longitudinale, transversale i de giraie sunt percepute prin reaciunile scaunului asupra corpului. Prin reacia volanului asupra minilor este apreciat i unghiul de rotire a volanului.

Dac se ia n consideraie un sistem de direcie neinteligent", de tip clasic pentru care bucla de reacie este asigurat doar de conductorul auto, experiena acestuia privind conducerea autovehiculului are un rol covritor n meninerea stabilitii i direciei acestuia. Astfel, un conductor auto experimentat va anticipa cu precizie, att rspunsul autovehiculului la manevrele sale, ct i rezultatul interaciunii dintre aceste manevre i condiiile perturbative externe.

Un exemplu tipic este dat de reacia anticipativ la apariia unei curbe. Ct timp este stabil, rspunsul autovehiculului este aproximativ liniar", comanda conductorului auto transmindu-se la roat, respectiv la calea de rulare, proporional, fr modificri majore.

Un conductor auto mai puin experimentat se va concentra n primul rnd pe acea latur a ofatului ce ine de stabilizarea autovehiculului, gradul de anticipare fiind mult mai redus. Din acest motiv i timpul de rspuns al reaciilor de redresare va fi mai lent.


21

O dat intrat n derapaj, autovehiculul nu mai rspunde liniar la comenzi, ceea ce conduce la intrarea n panic a conductorului auto, acesta acionnd de cele mai multe ori prin comenzi greite. O dat scpat de sub control, autovehiculul iese din limitele de stabilitate fizic, traiectoria nu mai poate fi anticipat, fiind aproape imposibil redresarea, att pentru oferul experimentat, ct mai ales pentru nceptor.

Un sistem automat, inteligent, de mbuntire a stabilitii autovehiculului n viraje i curbe ca cel prezentat n exemplul precedent (fig. 1.6) are ca obiectiv asistarea conductorului auto, astfel nct acesta s poat ine sub control maina pe orice tip de suprafee de drum i condiii de rulare. Un sistem de control al stabilitii, ca cel din figura precedent, urmrete n principal meninerea controlului autovehiculului la abordarea curbelor i virajelor, stabilitatea fiind periclitat, de exemplu, atunci cnd coeficienii de frecare pentru roile din dreapta, respectiv stnga cu calea de rulare sunt diferii, ori dac autovehiculul prezint tendin de derapare n timpul frnrii ntr-o curb sau viraj.

Astfel, un autovehicul este considerat controlabil sau manevrabil dac reacioneaz la schimbrile de direcie n maniera dorit de conductorul auto.

Acest obiectiv poate fi realizat printr-un proces supervizat de un calculator ce conine urmtorii pai:

determinarea unghiului de rotire a volanului, s , a vitezei de giraie , a vitezei de deplasare longitudinale, xv i a coeficientului de frecare, , dintre pneu i calea de rulare;

n funcie de coeficientul de frecare, i de unghiul volanului, s , calculatorul

va determina pentru viteza de giraie, & , fie o curb de variaie limit minimal, fie o curb de variaie prestabilit (dorit);

dac valoarea msurat a vitezei de giraie este sub variaia limitei minime, se va reduce presiunea de frnare, sau dac & msurat nu evolueaz n direcia curbei de variaie prestabilite se va ajusta corespunztor presiunea de frnare.

Deoarece sistemul ESP conine i algoritmi inteligeni de frnare este foarte probabil ca el s includ un sistem de siguran activ mai vechi, sistemul ABS, n sensul integrrii funciilor sale sau al prelurii controlului acestuia n anumite situaii precum frnarea n viraj. Sistemul de control al stabilitii necesit senzori ai unghiului de giraie, respectiv ai unghiului volanului, precum i informaii despre viteza autovehiculului i a coeficientului de frecare cu drumul. Coeficientul de frecare poate fi estimat, de exemplu, din deceleraia maxim a autovehiculului, putnd fi preluat de la sistemul ABS sau poate fi msurat direct cu accelerometre. Posibilitatea de a utiliza controlul vitezei de giraie pentru a influena presiunea de frnare, depinde de numrul canalelor independente de frn, adic de numrul grupurilor de roi pe care se poate aplica independent presiunea de frnare.

Un sistem cu un canal permite o variaie comun a presiunii de frnare simultan pe toate roile, asemntor unui sistem clasic de frnare. Creterea sau reducerea presiunii de frnare ca urmare a variaiei vitezei de giraie va afecta toate roile simultan. Creterea presiunii nu trebuie s produc blocarea uneia din roile din spate.

ntr-un sistem bi-canal, fiecare circuit n diagonal poate fi controlat independent. Maniera n care fiecare canal este influenat, depinde doar de sensul vitezei de giraie, de unghiul volanului i anumite condiii iniiale de limit.


22

Sistemele cu trei sau patru canale permit controlul presiunii de frnare independent, pe fiecare roat. Algoritmul este mai complex, iar rezultatele mai precise i mai eficiente.

Sistemul prezentat anterior este unul n bucl nchis, fr a elimina ns omul din bucla de reacie, ca un fel de pilot automat. Din contr, conductorul auto devine un element distinct n sistemul de control. Asistarea de ctre ESP uureaz aciunea conductorului auto, astfel nct acesta s perceap sarcina conducerii autovehiculului ca o plcere i satisfacie fa de propriile sale caliti, greelile de manevrare fiind estompate pe ct posibil de rspunsul rapid i imperceptibil al creierului electronic. Adaptarea mainii la om, se traduce astfel printr-o ajustare a funcionrii ESP la experiena i calitile de conducere ale conductorului autovehiculului respectiv. Gradul de inteligen al ESP poate fi mrit printr-o monitorizare suplimentar a altor parametri precum viteza lateral, ncrcarea autovehiculului, presiunea n pneuri, curbura virajului etc.


23

2 SISTEMUL DE FRNARE CA ELEMENT AL SIGURANEI ACTIVE

2.1 SISTEM DE ASISTARE FRN

2.1.1 Cauzele i prevenirea accidentelor. Situaii critice n circulaia rutier

Majoritatea cauzelor accidentelor de circulaie, care antreneaz vtmri corporale, se datoreaz erorilor umane. Statisticile accidentelor arat c o vitez neadaptat la condiiile de rulare este cauza principal a acestor accidente [Gai04], [Bos01]. Alte cauze posibile ar putea fi:

nerespectarea distanei de siguran; nerespectarea prioritii; schimbarea neregulamentar a direciei de mers; conducerea sub influena buturilor alcoolice.

Defectele tehnice (iluminare, pneuri, frne, etc.) sau cauzele legate de automobil, nu sunt nregistrate dect ntr-o mic msur. Alte cauze legate de accident, asupra crora conductorul auto nu are nici o influen (intemperii, de exemplu), sunt constatate mult mai frecvent.

Plecnd de la aceste considerente, mbuntirea continu a sistemelor de siguran ale unui automobil (n special electronica necesar n vederea acestui scop) trebuie accelerat pentru:

a asista ct mai bine conductorul auto n situaii critice; evitarea accidentelor; minimizarea consecinelor accidentelor.

Principalele pericole, care constituie exemple de experiene posibile n zone limit, sunt: schimbarea strii carosabilului sau a condiiilor atmosferice; coliziunile nregistrate cu ali participani la trafic; coliziuni cu animalele sau obstacolele de pe osea; defectarea brusc (explozie a unui pneu) a autovehiculului.

Situaiile critice n circulaia rutier se caracterizeaz prin modificarea rapid a condiiilor de trafic, de exemplu, ca urmare a apariiei brute a unui obstacol sau a unei modificri rapide a strii carosabilului. La acestea se adaug adesea i o posibil eroare n comportamentul automobilitilor care, prin lips de experien n situaii critice, reacioneaz incorect la o vitez excesiv sau sunt neateni.

n general, conductorul auto nu tie n ce msur se apropie de o limit fizic prin manevrele de evitare sau de frnare n situaii critice, deoarece el nu a fost con-fruntat aproape niciodat cu asemenea situaii critice. Nu este capabil s recunoasc n ce msur a epuizat potenialul disponibil de aderen ntre pneu i carosabil sau dac autoturismul se afl chiar la limita capacitii de manevrare sau de derapare.

mbuntirile aduse comportamentului unui autovehicul i asistarea conductorului auto


24

n situaii critice, nu pot fi recunoscute i evaluate dect dac reduc n mod durabil att numrul accidentelor, ct i consecinele acestora. Pentru a atenua sau a stpni o astfel de situaie critic, trebuie s se realizeze manevre de conducere complexe, cum ar fi:

bracare i contra-bracare rapid; schimbarea benzii de rulare n timpul unei frnri de urgen; meninerea direciei n cazul unei viteze ridicate n viraj sau modificarea

suprafeei cii de rulare. n cazul diminurii aderenei pneurilor, autovehiculul nu se mai comport cum ar dori

conductorul auto i prsete direcia dorit.

2.1.2 Conducerea autovehiculului i comportamentul conductorului auto

n vederea adaptrii rspunsului autovehiculului, pentru a reflecta capacitile conductorului auto, se impune o analiz prealabil a comprtamentului acestuia [Bos99]. Comportamentul conductorului auto poate fi mprit astfel:

comportamentul conductorului auto la conducerea autovehiculului; comportamentul conductorului auto n cazul instabilitii autovehiculului;

Caracteristica esenial privind comportamentul conductorului auto n timpul conducerii autovehiculului este capacitatea de anticipare a conductorului auto, adic aptitudinea acestuia de a evalua condiiile i circumstanele fiecrui moment al traseului i de a putea trage urmtoarele concluzii:

cum trebuie s roteasc volanul pentru a lua virajul urmtor meninnd direcia; cnd trebuie s nceap s frneze pentru a putea opri la timp autovehiculul; cnd trebuie s accelereze pentru a putea depi fr nici un pericol.

Atunci cnd conductorul auto stabilizeaz autovehiculul (rspunsul la insta-bilitatea acestuia), constat c exist abateri de la traiectoria dorit (traseul oselei), trebuind s corecteze poziia volanului i poziia pedalei de acceleraie, prealabil estimate, astfel nct s evite deraparea sau s previn ieirea de pe osea. Cu ct estimarea conductorului auto n conducerea autovehiculului este mai bun, cu att stabilizarea ulterioar (corecia) va fi mai uoar i autovehiculul va rmne stabil.

Conductorul auto experimentat este capabil s estimeze, ntr-un mod ct mai aproape de realitate, micarea autovehiculului, plecnd de la cerinele de conducere i n funcie de elementele exterioare previzibile (viraje, etc.). Dac conductorul auto este mai puin experimentat, aceast faz de adaptare dureaz mai mult timp i presupune factori de nesiguran importani. Rezult, pentru conductorul auto neexperimentat, c acesta i concentreaz atenia asupra stabilizrii autovehiculului.

Dac se produce un eveniment neprevzut pentru conductorul auto i autovehicul (viraj strns neateptat cu o vizibilitate redus, etc), conductorul auto poate s reacioneze incorect, iar autovehiculul risc s derapeze. n situaia n care autovehiculul se comport imprevizibil pentru conductorul auto, apropiindu-se de limitele fizice, att conductorul auto experimentat, ct i cel neexperimentat, nu mai au posibilitatea de a controla autovehiculul.

Comportamentul unui autovehicul n trafic (fig. 2.1) este definit prin diveri factori care pot fi repartizai aproximativ n trei zone [Bos05]:

caracteristicile autovehiculului;


25

comportamentul, performanele i capacitatea de reacie a conductorului auto; influenele exterioare.

Fig. 2.1 Sistem global conductor auto autovehicul mediu nconjurtor.

Prin comportamentul autovehiculului se nelege reacia acestuia la aciunile conductorului auto (de exemplu: bracare, accelerare, frnare) i la ali factori de influen exteriori (de exemplu: starea carosabilului, vnt, etc.).

Din acest punct de vedere, conductorul auto trebuie: s adapteze conduita sa condiiilor de trafic i strii oselei; s respecte legislaia n vigoare privind circulaia pe drumurile publice; s urmeze ct mai posibil traiectoria definit de traseul oselei; s conduc autovehiculul n mod prudent i responsabil.

Manevrele urmtoare de conducere (realizate pe o osea uscat), standardizate conform ISO sau n curs de standardizare, servesc ca metod recunoscut pentru aprecierea stabilitii unui autovehicul:

traiectoria circular staionar; frnarea n viraj; sensibilitatea la vnt lateral; comportamentul n linie dreapt; alternana sarcinii n traiectorie circular.

Manevrele, adesea periculoase (precum testul de evitare VDA standardizat fig. 2.2) [Bos05], realizate de mai muli conductori auto, ofer informaii asupra propriet-ilor i caracterului dinamic al autovehiculului testat:

stabilitate; manevrabilitate i capacitate de frnare; comportamentul n situaii limit trebuie s fie descris i mbuntit plecnd de la

aceste teste. Avantajele acestei metode sunt: sistemul global (conductor auto autovehicul mediu nconjurtor) poate fi

controlat; numeroase situaii din circulaia cotidian pot fi simulate ntr-o manier realist.

Aceast metod prezint, cu toate acestea, urmtoarele inconveniente:


26

o mare dispersie a rezultatelor, deoarece capacitile conductorilor auto, condiiile legate de vnt i carosabil, precum i condiiile iniiale ale fiecrei manevre sunt diferite;

experienele i percepiile subiective pot fi interpretate individual; capacitatea unui conductor auto poate s decid reuita sau eecul unei serii de

teste.

Fig. 2.2 Test de evitare: Debutul testului: Faza 1: treapta superioar a cutiei de viteze (cutie de viteze manual). Poziie de comand D la 2.000 rot/min (cutie de viteze automat); Faza 2: Reducere acceleraie; Faza 3: Msurarea vitezei prin intermediul fotocelulei electrice.

Bracare spre stnga; Faza 4: Bracare spre dreapta; Faza 5: Sfritul testului.

Testul de evitare, n cazul unui autoturism, simuleaz o situaie extrem, aa cum apare dup o evitare brusc a unui obstacol. Pe un tronson de 50 m, un autoturism trebuie s ocoleasc n deplin siguran, la o anumit vitez, un obstacol depind 4 metri pe osea i pe o lungime de 10 m (fig. 2.2).

Tabelul 2.1 prezint cele mai importante manevre de conducere pentru evaluarea comportamentului unui autovehicul n bucl nchis [Bos05].


27

Tabelul 2....1 Aprecierea comportamentului autovehiculului Comportamentul autovehiculului

Manevre de conducere (cerinele conductorului auto i situaia de conducere specific)

Conducto-rul auto

intervine n permanen

Volan fix

Volan liber

Cerin de

bracare

Meninerea direciei n linie dreapt

Reacia direciei/bracare Acionare brusc/slbire direcie

Reacia la alternana de ncrcare

Acvaplanare Frnare n linie dreapt Sensibilitate la vnt lateral Portana la viteze mari

Comportamentul n linie dreapt

Defectul pneului Variaie important a unghiului de bracare

Bracare i contra-bracare simpl

Bracare i contra-bracare multipl

Impulsul bracrii simple Bracare aleatorie Intrare n curb Ieire din curb Comportamentul la revenirea volanului

Schimbarea unei benzi de rulare

Comportamentul la manevre tranzitorii

Schimbarea a dou benzi de rulare

Traiectorie circular cu vitez constant

Traiectorie circular cu vitez variabil

Reacia la alternana de ncrcare n traiectoria circular

Eliberarea direciei Frnare n viraj

Comportamentul n viraj

Acvaplanare n viraj


28

Slalom n jurul jaloanelor Test de maniabilitate (pist de ncercare cu viraje strnse)

Comportamentul la modificrile traiectoriei

Micare pendular virare/accelerare

Rezistena la nclinare a autovehiculului

Comportamentul general

Test de reacie i de evitare O definiie obiectiv a proprietilor dinamice n bucl nchis (model Closed Loop,

adic cu conductorul auto, fig. 2.3) nu este nici pn astzi nc total aplica-bil n practic, deoarece reglarea de ctre om este atins de un mare subiectivism.

Cu toate acestea, exist pe lng acest test obiectiv, diferite teste rutiere capabile s furnizeze conductorilor auto experimentai indicaii asupra stabilitii a unui autoturism (slalom, de exemplu).

Sursa: [Bos05]

Fig. 2.3 Sistem global conductor auto autoturism mediu nconjurtor n circuit de reglare.

Mrimi care definesc comportamentul dinamic Principalele mrimi care servesc la aprecierea comportamentului dinamic sunt: unghiul de bracare; acceleraia transversal; acceleraia sau deceleraia longitudinal; viteza de giraie; unghiul de oscilaie i unghiul de ruliu.

Informaiile complementare permit o clarificare a comportamentului dinamic definit cu scopul de a verifica ali parametri:

viteza longitudinal i transversal; unghiul de bracare a roilor fa/roilor spate; unghiul de deriv pentru toate roile; cuplul la volan.


29

Timpii de reacie n sistemul global conductor auto autovehicul mediu, sensibilitatea i timpii de

reacie ai conductorului auto joac un rol decisiv. Timpul de reacie subiectiv cuprinde intervalul de timp ntre percepia unui obstacol, luarea unei decizii i micarea piciorului pn la apsarea pe pedala de frn (fig. 2.4). Acest timp nu e constant, el pornete de la minim la 0,3 secunde n funcie de condiiile personale i circumstanele exterioare [Bos05].

Sursa: [Bos05]

Fig. 2.4 Timpul de reacie al conductorului auto. Procese: reacie, frnare i oprire. Rt -

timp de reacie; Ut - timp de aplicare; At - timp de rspuns; St - timp de cretere a forei de

frnare.

Determinarea comportamentului de reacie individual cere examene speciale (de ctre un institut de medicin psihologic). Factorii de influen asupra timpilor de reacie ai conductorului auto sunt prezentai n tabelul 2.2 [Bos05].

Tabelul 2....2: Factorii de influen asupra timpilor de reacie ai

conductorului auto Reacie psiho-fizic Reacie muscular

Percepie Detecie Decizie Mobilizare Micare Obiectul percepiei (de exemplu panouri de semnalizare)

Acuitate vizual

Percepie i nelegere

Comporta-ment psihic

Aparat motor

Vitez personal

Obiectul aciunii (de exemplu pedala de frn)


30

Influenele factorului uman, precum i a factorilor externi asupra timpilor de reacie sunt prezentate n tabelul 2.3 [Bos05].

Tabelul 2....3: Timpii de reacie n funcie de conductorul auto i

factorii externi Timpi de reacie mici (pn la 0,3 s)

Timpi de reacie mari (pn la 1,7 s)

Factori dependeni de conductorul auto Reflexe exersate Ezitare O form bun, capacitate optim Form proast, oboseal de exemplu Experien n conducerea automobilului Mai puin experimentat n conducerea

automobilului Tnr Vrst mai naintat Stare de tensiune Neatenie, distracie Stare fizic i psihic bun Tulburri fizice sau psihice Panic, alcool Factori exteriori Situaie de trafic simpl, clar, previzibil, cunoscut

Situaie de trafic complicat, confuz, imprevizibil, necunoscut

Obsatcol uor de sesizat Obstacol greu de sesizat Obstacol n cmpul vizual Obstacol n marginea cmpului vizual Elemente de comand bine dispuse n automobil

Elemente de comand prost dispuse n autoturism

2.1.3 Dinamica frnrii

Figura 2.5 ilustreaz intervalele de reglare ale ABS (marcate cu culoarea gri) care apar n momentul frnrii, iar figura 2.6 ilustreaz intervalele de reglare ABS/ESP care apar n momentul frnrii (intervalele de reglare ale ABS fiind marcate cu culoarea albastru nchis, iar ale ESP cu albastru deschis) [Bos02c].


31

Sursa: [Bos02c]

Fig. 2.5 Coeficientul de aderen HF n funcie de alunecarea la frnare : 1 pneu radial pe beton uscat; 2 pneu de iarn diagonal pe asfalt umed; 3 pneu radial pe zpad moale;

4 pneu radial pe polei nmuiat (umed). Zonele gri: plajele de reglare ABS.

Sursa: [Bos02c]

Fig. 2.6 Coeficienii de aderen HF i de for lateral S n funcie de alunecarea la

frnare i unghiul de deriv: HF - coeficient de aderen; S - coeficient de for lateral; - unghi de deriv. Zona albastru nchis: plajele de reglare ABS. Zona albastru

deschis: plajele de reglare ESP.

Curbele 1,2 i 4 din figura 2.5, simuleaz strile oselei care permit aderenei, i prin


32

urmare frnrii, s ating o valoare maxim n funcie de creterea presiunii de frnare. n cazul unui autovehicul fr ABS, o cretere a presiunii de frnare dincolo de acest

prag de aderen maxim se materializeaz printr-o suprafrnare a autovehiculului. Deformarea pneului antreneaz o lrgire a prii glisante de pe suprafaa de sprijin a pneului (suprafaa de contact cu oseaua), astfel nct aderena se diminueaz i alunecarea prin frecare crete.

Alunecarea la frnare constituie un parametru specific al procentajului de alunecare prin frecare: dac =100%, roata se blocheaz i se manifest fenomenul de alunecare.

Alunecarea la frnare:

( )100%F R

F

v v

v

= (2.1)

indic ntrzierea vitezei periferice a roii Rv fa de viteza de deplasare a automobilului Fv .

Evoluia (fig. 2.5) curbelor 1 (osea uscat), 2 (osea umed) i 4 (polei) arat c sistemul ABS permite obinerea unor distane de frnare mai scurte dect n cazul frnrii de urgen cu blocarea roilor ( =100%). n cazul curbei 3 (zpad), o poriune de zpad asigur un efect de frnare suplimentar a roilor blocate; acest exemplu pune n eviden avantajul ABS n ceea ce privete inuta de drum i manevrabilitatea unui automobil.

Aa cum o arat cele dou curbe ale coeficientului de aderen HF i ale coeficientului forei laterale S din figura 2.6, plaja de reglare ABS trebuie s fie extins pentru un unghi

de deriv mai mare 10 = o (adic fora lateral mrit datorit unei puternice acceleraii transversale a autovehiculului) fa de un unghi de deriv mai mic 2 = o : n caz de frnare maxim ntr-un viraj, sub o puternic acceleraie transversal, sistemul ABS intervine anticipat i admite la nceput de exemplu o alunecare la frnare de 10%. Pentru 10 = o , coeficientul de aderen obinut ntr-o prim faz nu este dect 0,35HF = , n timp ce coeficientul forei laterale 0,80S = este maxim.

Cu ct viteza i acceleraia transversal se diminueaz n timpul frnrii n viraj, cu att valorile de alunecare autorizate de ABS sunt mai ridicate, astfel nct deceleraia crete n timp ce coeficientul forei laterale se diminueaz proporional cu scderea acceleraiei transversale.

n cursul frnrii n viraj, creterea forelor de frnare se realizeaz astfel nct distana de frnare total este cu foarte puin mai lung dect cea a frnrii n linie dreapt n condiii identice.

Modelul pneului

Elementele cheie pentru dinamica pre-impact a autovehiculului sunt pneurile [Pre05], [Unt88]. Trei mecanisme fizice contribuie la generarea forei de interaciune dintre roat i drum, cunoscute sub denumirea de for de frecare:

adeziunea, care rezult (n domeniul cuprins ntre 1 nm i 1 m) din legaturile intermoleculare dintre cauciuc i suprafaa drumului, producndu-se o tensiune de forfecare;


33

histerezis-ul, ce reprezint apariia unei fore n zona petei de contact datorit pierderii suplimentare de energie n cauciuc n timp ce acesta se deformeaz pentru a acoperi neregularitile drumului (n domeniul cuprins ntre 10 m i 1 mm) cnd un moment sau o for lateral este aplicat asupra pneului sau cnd roata este bracat (schimarea orientrii n funcie de direcia de deplasare);

rezistena la deformare a solului, ce se produce (n domeniul macrodimensional) doar cnd nervurile pneului intr n contact cu un sol deformabil sau cu neregularitile mai mari ale unui drum cu suprafa mai dur.

Pentru a genera fora de frecare dintre roat i drum, trebuie sa existe dou elemente: fora normal, care apas pneul pe drum; alunecarea pneului (sau cel puin tendina de alunecare).

Dac una din aceste dou condiii nu este ndeplinit, atunci fora de frecare nu se produce. Practic, fora de frecare poate atinge n orice direcie aceeai valoare maxim absolut, care poate fi calculat cu ecuaia:

max PF Z= (2.2)

unde Z este sarcina normal a pneului, iar P reprezint valoarea de vrf a coeficientului de frecare care indic cele mai bune propieti de aderen pentru contactul dintre roat i drum.

Se consider un sistem de coordonate mobil x wCcpyw ataat centrului petei de contact a roii i avnd semiaxa x w orientat spre nainte n planul longitudinal al roii.

n timpul micrii, punctul din centrul petei de contact are viteza (de rotaie) teoretic

t dv = r ( - viteza de rotaie a roii i rd - raza dinamic a roii) avnd ca suport semiaxa xw. Viteza real a roii v realizeaz mpreun cu vectorul vt (i semiaxa xw), unghiul de alunecare . Diferena vectorial s tv v v=

r r r reprezint viteza de alunecare cu care roata alunec pe

drum. Viteza real i viteza de alunecare pot fi considerate de asemenea ca rezultante ale componentelor lor:

t s x yv v v v v= + +r r r r r

(2.3)

s sx syv v v= +r r r

(2.4)

Sursa: [Pre05]

Fig. 2.7 Cercul frecrii: a traciune; b frnare. Vitezele i forele de frecare pentru pata de contact dintre roat i drum.

Fora de frecare real Fr care acioneaz asupra pneului are aceeai baz ca i vectorul

vitez, dar de sens contrar (fora se opune alunecrii). Valoarea sa depinde de valoarea

b a


34

maxim a forei de frecare i de alunecarea total a pneului , definit ca:

2 2s

x

vk tg

v = = + (2.5)

Componentele alunecrii totale sunt alunecarea longitudinal k:

1 dac

0 dac

(1 ) dac

xx t

t

sxx t

xt

x t

x

vv v

vv

k v vv

vv v

v

(2.6)

i alunecarea lateral

sy

x

vtg

v = (2.7)

unde este unghiul de alunecare. Figura 2.8 reprezint caracteristica coeficientului de frecare relativ (indicnd partea

forei maxime maxF care este generat pe pata de contact), n funcie de alunecarea total .

max

F

F = (2.8)

Folosind convenia ISO, se consider valorile pozitive pentru i n cazul traciunii i negative pentru frnare.

Sursa: [Pre05]

Fig. 2.8 Coeficientul de frecare real al pneului n funcie de alunecarea total.


35

Coeficientul de frecare real (numit i frecarea utilizat) i fora de frecare real F sunt:

p= (2.9)

p maxF= Z= Z= F (2.10)

Curba ( ) are dou domenii importante pentru traciune i pentru frnare: domeniul alunecrilor mici, numit i domeniul pseudo-alunecrii (


36

SBC este un sistem electronic de reglare, care dispune de dispozitive de acionare hidraulice. Practic, acesta nlocuiete servofrna i modulatorul forei de frnare, n cazul sistemelor de frnare ABS hidraulice, convenionale. Repartiia forei de frnare se realizeaz pe cale electronic, n funcie de situaia ntlnit pe parcursul conducerii autovehiculului. Reglarea poate de asemenea s in cont de alte fore de frnare care sunt generate de motor, alternator, compresorul sistemului de climatizare sau de rezistena aerului. n acest caz, nu mai este necesar depresiunea, pentru amplificarea forei de frnare.

Sistemul SBC poate fi adaptat la frnele de roat hidraulice standard, care sunt inter-conectate cu sistemele de conducere ale autovehiculului, cum ar fi reglarea vitezei de rulare (sistemul ACC). Sistemul SBC poate satisface astfel toate exigenele impuse sistemelor de frnare din viitor.

Funciile sistemului de frnare electro-hidraulic (SBC)

n mod similar cu sistemul convenional de frnare, rolul sistemului de frnare electro-hidraulic este:

s reduc viteza autovehiculului; s opreasc i s imobilizeze autovehiculul; s menin autovehiculul oprit.

n calitate de sistem de frnare activ, acesta are urmtoarele funcii: acionarea frnelor; amplificarea forei de frnare; reglarea forei de frnare.

Cea mai mare parte a sistemelor convenionale de frnare ale autovehiculelor, se caracterizeaz prin faptul c efortul de frnare al conductorului auto este transmis mecanic de la pedala de frn la servofrna cu depresiune (cu un raport de transmitere bine precizat), apoi retransmis cu o amplificare asupra cilindrului principal de frnare. Presiunea astfel generat, permite obinerea unui efect de frnare dorit la nivelul diferitelor frne de roat. n cazul frnelor electro-hidraulice, acest lan de aciune strict hidro-mecanic este ntrerupt i nlocuit de:

senzori; un calculator aflat n legtur cu modulatoarele de presiune ale roilor; un generator de presiune.

n stare de funcionare normal, nu exist nicio legtur mecanic ntre pedala de frn i frna de roat.

Datorit acumulatorului de nalt presiune, sistemul se caracterizeaz printr-o important dinamic de cretere a presiunii. Astfel, se ofer un potenial foarte bun pentru distane scurte de frnare i o mare stabilitate n rulare. Modularea presiunii i frnarea activ sunt silenioase i nu genereaz nicio reacie asupra pedalei de frn. Sistemul SBC rspunde astfel ateptrilor ridicate, n ceea ce privete confortul.

Concepia sistemului de frnare electro-hidraulic (SBC)

Componentele sunt inter-conectate prin intermediul cablurilor electrice de comand, precum i prin conductele hidraulice de alimentare (fig. 2.9) [Bos02c].


37

Fig. 2.9 Sistem de frnare electro-hidraulic: : 1 Senzor activ al vitezei roii, cu detectarea sensului de rotaie; 2 Calculator electronic de control al motorului; 3 Calculator al

sistemului de frnare electro-hidraulic (SBC); 4 Senzor pentru msurarea vitezei de giraie i a acceleraiei transversale; 5 Grup hidraulic cu calculator ncorporat (pentru SBC, ABS, ASR, ESP); 6 Dispozitiv de acionare prevzut cu senzor pentru msurarea

cursei de pedal; 7 Senzor pentru msurarea unghiului de bracare.

n figura 2.10, este prezentat grupul hidraulic al sistemului de frnare electro-hidraulic (SBC) [Bos02c].

Fig. 2.10 Grupul hidraulic al sistemului de frnare electro-hidraulic (SBC).

Dispozitivul de acionare, cuprinde componentele prezentate n figura 2.11 [Bos02c].


38

Fig. 2.11 Dispozitivul de acionare al sistemului de frnare electro-hidraulic (SBC): 1 Tij de comand; 2 Senzor pentru msurarea cursei de pedal; 3 Rezervor de compensare al

lichidului de frn; 4 Cilindru principal de frn; 5 Simulator al cursei de pedal.

Senzorii sistemului de frnare electro-hidraulic (SBC) Aciunea conductorului auto este receptat prin intermediul senzorului redondant al

cursei de pedal i al unui senzor manometric. Senzorii manometrici detecteaz presiunea la nivelul acumulatorului, precum i presiunea care se regsete n circuitul fiecrei roi. Meninerea stabilitii direcionale impune, ca i n cazul oricrui sistem ESP, utilizarea a patru senzori de vitez a roilor, a unui senzor pentru msurarea unghiului de bracare, a unui senzor pentru msurarea vitezei de giraie i a unui senzor pentru msurarea acceleraiei transversale.

Ceilali senzori ai sistemelor ABS, ASR, ESP furnizeaz calculatorului date despre condiiile de rulare: viteza de deplasare sau traiectoria n viraj, precum i date despre micrile roilor. Dac autovehiculul este echipat cu un sistem adaptiv de control al deplasrii/vitezei de circulaie (croazierei), ACC (Adaptive Cruise Control), radarul telemetric din cadrul acestuia detecteaz distana fa de autovehiculul care l preced. Pornind de la aceste date, calculatorul sistemului SBC determin semnalele de comand ale grupului hidraulic.

Modulatorii grupului hidraulic genereaz presiuni de frnare adaptate fiecrei roi. O pomp hidraulic cu motor electric, un acumulator de nalt presiune i un dispozitiv de control al presiunii alctuiesc generatorul de presiune.

n figura 2.12 [Bos02c], este reprezentat o schem a componentelor sistemului de frnare electro-hidraulic (SBC).


39

Fig. 2.12 Interaciunea blocurilor funcionale ale sistemului de frnare electro-hidraulic (SBC).

Funcionarea sistemului de frnare electro-hidraulic Din motive de siguran, aciunea de frnare a conductorului auto este detectat cu

ajutorul unui senzor redondant al cursei de pedal, care este integrat n dispozitivul de acionare. Simultan, un senzor manometric amplasat la nivelul grupului hidraulic, msoar presiunea generat de ctre conductorul auto. Aceste informaii sunt prelucrate de calculatoarele care integreaz i funciile urmtoare:

amplificarea forei de frnare; ABS (Anti Lock Break System) ASR (Anti Slipping Regulator) ESP (Electronic Stability Program)

Funciile complementare

Funciile complementare ofer sistemului de frnare electro-hidraulic SBC, un ctig net superior n ceea ce privete sigurana.

Precondiionare Presiunea de frnare se stabilete imediat, n cazul unei decelerri brute. Mai mult,

aciunea frnelor este deja pregtit (precondiionare). Aceste msuri permit o aciune rapid a frnelor, n cazul unei frnri de urgen i implicit, obinerea unei distane de frnare, mai scurte.

Simulatorul cursei de pedal Acest dispozitiv simuleaz efortul aplicat asupra pedalei de frn. La frnarea efectuat

prin intermediul sistemului de frnare electro-hidraulic, conductorul auto percepe aceeai sensibilitate, ca i n cazul unui sistem de frnare convenional.

Frnarea n cazul defeciunii sistemului Din motive de siguran, precum i n cazul unor eventuale defeciuni ale sistemului de

frnare electro-hidraulic SBC (de exemplu: pan n alimentarea cu curent), este posibil


40

trecerea la un mod de frnare eficient a autovehiculului, chiar i fr o asisten activ asupra efortului de frnare. Electrovanele de izolare (fig. 2.12), care rmn deschise fr tensiune, permit astfel o comunicare hidraulic direct ntre dispozitivul de acionare i cilindrii de roat.

2.3 SISTEM DE FRNARE ELECTRO-MECANIC

Cercetrile productorilor specializai n fabricarea sistemelor de frnare, se concentreaz n momentul de fa i asupra dezvoltrii sistemelor de frnare electro-mecanice (EMB Electro Mechanical Brake), n cadrul crora asupra plcuelor de frn acioneaz nite dispozitive de acionare electrice, plasate direct n etriere. Frnarea este gestionat cu ajutorul unui calculator ECU, n funcie de semnalele primite din partea unui modul electronic amplasat pe pedala de frn. Pn n momentul de fa, ncercrile de a realiza frne cu disc acionate electric, s-au lovit de un obstacol: fora prea mare necesar strngerii plcuelor de frn n cadrul etrierelor, care implic motoare i reductoare puternice, voluminoase, grele i scumpe, precum i un consum electric care ar necesita un echipament alimentat la tensiunea de 42 voli [www.auto-innovations.com].

Fig. 2.13 Etrier frn electro-mecanic.

Pentru a evita acest obstacol, au fost create nite sisteme cu strngere automat, care folosesc nite role care se deplaseaz pe rampe sau coluri bidirecionale. Rampa fiind simetric, adic putnd funciona n ambele sensuri, strngerea automat poate fi obinut i la mersul napoi (mararier) al autovehiculului.

Dezvoltrile actuale sunt concentrate pe sistemele care funcioneaz la o tensiune de 12 V.

Sistemul de frnare electro-mecanic, ar trebui s aduc urmtoarele avantaje: o reglare mai precis a forei de frnare, datorit reducerii numrului elementelor

intermediare; reducerea timpului de rspuns; un sistem electronic de control a stabilitii autovehiculului (ESP) integrat i mai

performant;


41

reducerea distanei de frnare, mai ales pe o osea cu aderen sczut sau diferit pe partea dreapt, fa de partea stng;

lipsa vibraiilor pedalei la intervenia ABS-ului; un control mai bun al traciunii, cu ajutorul sistemului de prevenire a patinrii

roilor (ASR); reducerea cuplului de rezisten la naintare, cauzat de frecarea dintre plcuele i

discurile de frn; reducerea potenialului polurii prin eliminarea lichidului de frn; sileniozitatea; facilitatea implementrii unui sistem de ajustare a poziiei pedalei de frn; frna de staionare electric integrat; conexiunea cu viitoarele sisteme de gestionare a unui trafic uor.

2.4 SISTEM DE FRNARE CU ASISTARE ELECTRIC

Viitorul autovehiculului va fi influenat n mare msur de evoluia sistemelor electronice de asistare la conducere. Divizia Siemens VDO Automotive a dezvoltat un sistem complet revoluionar, care mbin tehnica frnrii n siguran cu dome-niul asigurrii stabilitii i care se sper a fi utilizat n industria auto n cel mai scurt timp. n viitor, alturi de sistemele de asistare la conducere, sistemul clasic de fr-nare mecano-hidraulic/pneumatic va fi nlocuit de integrarea n modulul de construc-ie a roii, a sistemelor de propulsie, de direcie i de amortizare electromecanic.

Din nevoia obinerii unui sistem de frnare mai rapid i independent, viitorul va duce la transformarea inerent a sistemelor centrale de asistare sau chiar la elimi-narea lor, funciile acestora fiind preluate individual de fiecare subsistem n parte. Este i cazul sistemului electronic de frnare EWB (Electronic Wedge Brake) de la Siemens VDO. Pe de alt parte EWB este un sistem curat, net superior sistemelor clasice hidraulice/pneumatice, care sunt uor poluante pentru mediul nconjurtor.

Siemens VDO a demarat n 1996 cercetrile pentru mbuntirea sistemelor de frnare electromecanic, rezultnd binecunoscutul sistem EMB (Electro Mechanical Brake), care trebuia alimentat la o tensiune de 42 Voli. Cum tehnologia de alimentare bazat pe o tensiune de 42 V nu avea perspective, Siemens VDO a cumprat i dezvoltat conceptul eBrake de la firma eStop, sistem care folosete tensiunea ,,clasic de 12 V [Chr06], [Colecia revistei Auto Tehnica].

Comparaia dintre frna clasic i EWB

n cazul tehnologiei tradiionale (fig. 2.14 a i b), nF - fora normal (fora de strngere)

este chiar fora activ care acioneaz pe o suprafa de contact.


42

Fig. 2.14 Principiul funcionrii frnei clasice cu disc (a liber; b strns) i a frnei cu pan (c liber; d strns).

Se pare c n viitor, sistemele de frnare strict hidraulice sau pneumatice vor fi nlocuite cu sisteme electro-hidraulice, electro-pneumatice sau cu acionare exclusiv electric. La alegerea unei soluii de frnare cu acionare exclusiv electric (brake-by-wire) n care

n mF F= , nu este suficient o tensiune de doar 12 V. Pentru rezolvarea acestui neajuns ar fi nevoie de nc un dispozitiv mecanic, pretenios din punct de vedere al spaiului existent.

Sistemul de frnare cu pan se folosete i de energia cinetic a autovehiculului (fig. 2.14 c i d) astfel: fora auxiliar ( auxF ) ajut la mrirea forei normale (forei de strngere),

fiind astfel de ajuns i un dispozitiv de acionare (actuator) cu for mai redus.

Principiile de construcie ale sistemului EWB n figura 2.15 este prezentat frna cu acionare electric.


43

Fig. 2.15 Echilibrul forelor n cazul frnei electronice cu pan: 1 fora necesar pentru meninerea echilibrului ( rezgF ); 2 rezultanta forelor de strngere i de frecare ( rezF ); 3

fora de acionare necesar ( mF ); 4 fora de frecare ( fF ); 5 fora normal a discului de

frn ( nF ); 6 role pe care se sprijin pana; 7 pan; 8 plcu de frn; 9 disc de

frn.

Pe lang discul de frnare clasic i plcuele de frn, mai apar: pana (care are o poziie variabil), rolele i carcasa. Pana este deplasat cu ajutorul unui actuator de mic putere, presnd plcua pe disc sau elibernd strngerea. Micnd pana spre interior, se micoreaz distana dintre disc i plcua de frn, aprnd astfel fora normal ( nF ) ntre cele dou

componente, fora de frecare i fora de strngere. Cnd rezultanta celor dou fore ( rezF )

devine perpendicular pe suprafaa de contact a penei, aceasta st n echilibru. n acest moment rolele nu se mai rostogolesc fa de pan. Dac coeficientul de frecare va avea valori reduse, atunci i fora de frecare necesar meninerii n echilibru a penei (reprezentat de vectorul rezgF ) va fi redus. Completarea forei de frecare o realizeaz dispozitivul cu pan,

care acioneaz ca o frn. Unghiurile prismei sunt astfel alese, ncat fora de acionare necesar ( mF ) sa fie minim chiar dac coeficientul de frecare ( ) dintre disc i plcu are o valoare normal.

n figura 2.16 este prezentat o comparaie ntre frna clasic cu disc i frna cu pan.


44

Fig. 2.16 Valorile forei necesare funcionrii frnei, n cazul frnei clasice cu disc i a frnei cu pan.

Graficul prezint fora necesar de acionare, n funcie de coeficientul de frecare dintre disc i plcue. Astfel, la un coeficient de frecare 0,25 = , pentru sistemul de frnare clasic este nevoie de o for normal de strngere de 35 kN, pe cnd la frna cu pan este nevoie de doar 3,5 kN, adic 1/10 din valoarea primului caz. Deci, EWB are nevoie de o for de zece ori mai mic dect un sistem hidraulic pentru a obine acelai efect de frnare.

Teste i rezultate referitoare la EWB

n figura 2.17 se poate vedea prototipul beta al primei frne cu pan destinat autovehiculelor de persoane. S-a luat ca i referin un autovehicul din categoria B, de 2 tone.

Fig. 2.17 Prototipul beta al primei frne destinate autovehiculelor de persoane.

Caracteristicile modului de funcionare: n momentul frnrii, pentru obinerea unui randament mediu, puterea de absorbie este de 100 W. La deplasare normal, puterea necesar va fi de 50 W. n cazul unei frnri de urgen, reacia dispozitivului apare n maximum 30 ms, iar ntr-un interval de 100 ms deceleraia depete valoarea de 1 g. Se


45

observ c parametrii dinamici ai frnrii cu EWB sunt similari cu cei ai frnrii ,,hidraulice. O alt caracteristic important este reprezentat de urmtorul fenomen: cu ct viteza n momentul frnrii este mai mare, cu att fora de frnare este mai mare.

Pentru o funcionare corect a sistemului de frnare EWB trebuie respectate reguli precise privind controlul parametrilor de frnare. n scopul obinerii siguranei maxime i a unui confort sporit, trebuie s existe posibilitatea de reglaj precis i exact al forei i al cuplului de frnare precum i al celorlali parametri dinamici. De exemplu: proiectarea plcuelor pentru frnare eficient pe drumurile umede, optimizarea electronic a frnrii pentru oprirea lin, evitarea smuciturilor i alunecrii napoi la plecarea din ramp.

Ca i la sistemul clasic de frnare, pentru anumite stri ale oselelor sunt folosite sisteme care mbuntesc dinamica deplasrii, de exemplu sistemele ABS (Anti Lock Break System), ESP (Electronic Stability Program), ASR (Anti Slipping Regulator) precum i altele, pot reaciona pozitiv n funcie de condiiile din timpul conducerii.

Referitor la fluctuaia forei de frnare n raport cu presupusa sensibilitate artat n figura 2.18, rezultatele au fost mbucurtoare. Pentru aceasta s-a folosit un disc de frn ruginit n mod artificial. O for normal ce acioneaz cu o valoare constant asupra suprafeei unui disc de frn puternic ruginit a artat c fluctuaia coeficientului de frnare a fost foarte mic.

Fig. 2.18 Testarea fluctuaiei valorii frecrii pe un disc de frnare corodat (ruginit).

n figura 2.19 este prezentat funcionarea frnei cu pan ntr-o singur direcie. n realitate, funcionarea trebuie s aib loc n ambele direcii. De aceea, tehnicienii de la Siemens au dezvoltat frna astfel nct aceasta s acioneze n dou direcii.


46

Fig. 2.19 Patul frnei - poziionarea penei.

La sistemul EWB, conexiunea ntre pedal i sistemul de frnare se face doar electric (brake-by-wire), astfel conductorul autovehiculului neputnd simi fora de apsare a pedalei de frnare. Pentru obinerea unor senzaii realiste de apsare a pedalei, a fost necesar instalarea sub aceasta a unui amortizor electronic prevzut cu sensibilizator, al crui software trebuie adaptat la caracteristicile autovehiculului.

Viziunea eCorner

mbuntirea sistemelor de baz ale prototipului beta sunt pe sfrite, iar n perioada ce urmeaz sunt programate testri ale unor configuraii de EWB n diverse condiii de utilizare.

Noua abordare a ideii de automobil este numit de cei de la Siemens VDO, eCorner, care include i conceptul de frn cu pan acionat electric. Pe termen scurt, prin folosirea EWB, se plnuiete dezvoltarea funciilor frnei acionate electric. Pe termen lung, se dorete integrarea propulsiei, sistemului de direcie, de amortizare, alturi de sistemul de frnare, n interiorul roii, acionarea fcndu-se doar electric (fig. 2.20).

Fig. 2.20 Schema eCORNER: 1 janta roii; 2 patul roii; 3 frna cu pan; 4 amortizor; 5 transmisie electric.

Prin introducerea n butucul roii a sistemului de propulsie s-ar revoluiona astfel toat tehnologia autovehiculului i tehnica propulsiei.


47

2.5 FUNCIILE AUTOMATE ALE SISTEMELOR DE FRNARE ELECTRONICE ALE AUTOTURISMELOR

Posibilitile sistemelor electronice de frnare depesc astzi cu mult funciile lor iniiale. Iniial, sistemul ABS, nu avea dect rolul de a mpiedica blocarea roilor i astfel s asigure manevrabilitatea autoturismului, chiar i la o frnare maxim. Astzi, nglobeaz i funcia de repartiie a forei de frnare. Controlul electronic al stabilitii, ESP, ofer, datorit capacitii de a stabiliza presiunea de frnare, oricare ar fi poziia pedalei de frn, o mulime de posibiliti de intervenie activ asupra frnelor. Anumite funcii contribuie n acelai timp i la mrirea siguranei, datorit faptului c interveniile automate asupra frnelor, diminueaz distana de frnare n caz de urgen.

Repartitorul electronic al forei de frnare EBD s-a impus ca funcie de baz a sistemelor electronice de frnare, nlocuind componentele mecanice, pentru a repartiza fora de frnare ntre puntea din fa i puntea din spate.

Funcii suplimentare sunt integrate progresiv n sistemele electronice de frnare (fig. 2.21) [Bos02], [Bos05].

Fig. 2.21 Diagrama funcional a funciilor suplimentare integrate n sistemele electronice de frnare.

Funciile complementare disponibile actualmente [Bos02], [Bos05]: Hydraulic Brake Assist (HBA): detecteaz situaiile de frnare de urgen i

reduce distana de frnare genernd presiunea de frnare pn la limita de blocare; Controlled Deceleration for Parking Brake (CDP): permite, la cererea

conductorului auto, frnarea pn la imobilizarea autoturismului; Hill Hold Control (HHC): intervine asupra frnelor n timpul unui demaraj n

pant i mpiedic reculul autoturismului; Hill Descent Control (HDC): asist conductorul auto la o coborre abrupt, pe un

teren accidentat, intervenind automat asupra frnelor; Controlled Deceleration for Driver Assistance Systems (CDD): ncepe, n caz de

nevoie, o frnare combinat cu o reglare automat de distan;


48

Hydraulic Fading Compensation (HFC): intervine dac nu este atins deceleraia maxim posibil a autoturismului, n ciuda unei aciuni puternice asupra pedalei de frn, atunci cnd discurile de frn sunt foarte calde, de exemplu;

Hydraulic Rear Wheel Boost (HRB): crete, n momentul interveniei ABS-ului, presiunea de frnare pn la nivelul de blocare a roilor, chiar i a celor ale punii din spate;

Brake Disc Wiping (BDW): elimin apa proiectat asupra discurilor de frn n cazul unei frnri scurte, imperceptibil pentru conductorul auto.

Aceste funcii sunt realizate n combinaie cu sistemul de control dinamic al stabilitii ESP. Unele din aceste funcii pot fi asociate i cu sistemul de evitare a blocrii roilor (ABS) sau cu cel de prevenire a patinrii acestora (ASR).

Fig. 2.22 Prezentarea funciilor complementare ale sistemelor de frnare electronice: 1 cilindrul principal de frn; 2 cilindru de frn de roat; 3 ele

Date post:	02-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	mihai-stefan
View:	163 times
Download:	3 times

SAPA.pdf

Documents