Rem- en slipgedrag (6) E. Gernaat (ISBN 978-90-808907-7-0) 1 Anti-slipregeling (ASR) 1.1 Inleiding Remkrachten en acceleratiekrachten zijn tegengesteld aan elkaar maar volgen hetzelfde patroon (fig. 1) 1. Om de benodige wrijvingcoëfficiënt te kunnen opwekken is een zekere mate van negatieve wielslip of wielspin noodzakelijk. Zoals tijdens het remmen een overschot aan remkracht kan ontstaan, zo kan tijdens het accelereren een overschot aan trekkracht ontstaan. Ook een overschot aan trekkracht veroorzaakt een lagere wrijvingscoëfficiënt waardoor de rijstabiliteit in de bocht vermindert. De functie die een overmatige wielspin tegen gaat staat bekend onder de ASR-regeling. Tijdens het wegtrekken in een tractieslip ( ) 100% 80 60 40 20 0 0 0,2 0,4 0,6 wrijvingscoefficient 0,8 u grafiek 1,0 Figuur 1: Tijdens het accelereren is er sprake van soortgelijke µ-grafiek als tijdens het remmen. De wielslip is echter tegengesteld. µ-split situatie komt ten gevolge van de differentiëelwerking de auto nauwelijks weg omdat het doorslippende wiel het minste koppel over kan brengen en 1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing 1
het koppel links en rechts gelijk zal moeten zijn. Om dit probleem op te lossen wordt het doorslippende wiel afgeremd. Deze functie wordt ook wel het elektronische sperdifferentieel genoemd (EDS) en kan worden beschouwd als een onderdeel van het ASR-systeem. Tijdens het sterk afremmen op de motor in lage versnellingen bestaat de mogelijkheid dat de aangedreven wielen een te veel aan wielslip gaan vertonen. Dit kan worden voorkomen door in geringe mate gas bij te geven. Deze regeling wordt wel de motorslip-regeling genoemd. Er valt iets voor te zeggen om dit systeem bij het ABS-systeem in te delen. Meestal valt het systeem echter onder het ASR-systeem. Dit komt omdat er via het motormanagement wordt ingegrepen. In tegenstelling tot het ABS-systeem kan het ASR-systeem vaak ook worden uitgeschakeld. Op slechte wegen bijv. zou het systeem continu kunnen gaan regelen, hetgeen in die situatie ongewenst is. Het overschot aan trekkracht kan op een aantal manieren worden weggewerkt. Men kan het motorkoppel verminderen of men kan een extra koppel scheppen met behulp van het remsysteem. Het spinnende wiel wordt dan afgeremd. Andere mogelijkheden zijn het inschakelen van de vierwielaandrijving bij tweewiel-aangedreven voertuigen of het inschakelen van een sperdifferentiëel. Reductie van het motorkoppel geschiedt meestal door in te grijpen op de gasklepstand (vullingsgraadregeling) en in mindere mate door verstelling van het onstekingstijdstip. Vaak zien we een combinatie van beide regelsystemen. Het ingrijpen op het remsysteem is over het algemeen alleen bij het wegtrekken tijdens een µ-split situatie zinvol. 2 Vullingsgraadregeling d.m.v. gasklepstand We bekijken een situatie tijdens het rechtuit rijden met ongeveer 80 km/h. De wielsnelheden van de twee aangedreven wielen worden dan vergeleken met de wielsnelheden van de twee niet aangedreven wielen. Wanneer de slip voor en achter nagenoeg gelijk is geldt: Hoeksnelheid wielen achter (ωa) = hoeksnelheid wielen voor (ωv) zodat het hoeksnelheidverschil (δω) nagenoeg gelijk aan nul is. Voor het begrip mag natuurlijk ook het toerental worden aangehouden. Wanneer het gaspedaal wordt ingetrapt dan zal het aandrijfmoment toenemen. Mocht het aandrijfmoment groter worden dan het moment dat op het wegdek kan worden overgebracht dan zal het koppeloverschot zorgen voor een relatieve versnelling van de aangedreven wielen. De daaruit volgende ongewenste grote wielslip zorgt voor een vermindering van de voertuigstabiliteit. Wanneer het massatraagheidsmoment (J) van de aandrijflijn bekend is dan kan de ASR-computer het koppeloverschot uit de gemeten verschilversnelling tussen de wielen voor en achter berekenen. In formulevorm: M overschot(mo) = traagh.moment aandrijflijn (J) x hoekversnellingsverschil(δω) 2
De grootte van het traagheidsmoment wordt beïnvloed door de gekozen overbrengverhouding (i). De i-factor kan de computer bepalen uit het motortoerental en het toerental van de (niet aangedreven) wielen. Bij de andere factoren gaat het om voertuigspecifieke gegevens die als vaste waarden (constanten) in het programma zijn opgenomen. Met deze berekening van het motorkoppeloverschot kan men het geleverde motorkoppel reduceren. Het werkelijk geleverde motorkoppel kan men bij een gasklepregeling bepalen met behulp van een kenveld, de zgn. α-n grafiek. De stand van de gasklep en het toerental geven het geleverde koppel weer. Wanneer we daar het koppeloverschot vanaf trekken weten we het koppel dat door de motor moet worden geleverd. De α-n grafiek (fig. 2) laat het verband zien tussen de stand van de gasklep en het geleverde koppel bij een bepaald toerental. Het geleverde koppel is door de stand van het gaspedaal (α0) aan de motor-managementcomputer bekend (170 Nm bij 3400 t/min). Het koppeloverschot wordt door de ASR-computer berekend (60 Nm) en aan de motormanagement-computer doorgegeven. De motormanagentcomputer bepaalt met behulp van het referentieveld de nieuwe gasklepstand (α1) (110 Nm bij 3400 t/min). Figuur 2: Met behulp van α-n-grafiek kan de motor de gewenste stand van de gasklep bepalen. Dat met name bij voertuigen met grote motorvermogens ook wielspin op kan treden bij hoge(re) snelheden laat fig. 3 zien. Acceleratieslip kan in de 2e en 3e versnelling plaatsvinden en zelfs in de hoogste versnelling als de beschikbare wrijvingscoëfficiënt laag is. 3
Figuur 3: De acceleratieslip kan ook in de hogere versnellingen te groot worden wanneer de µ-factor ongunstig is (BMW 850). 3 Wegtrekken in een µ-split situatie Ten gevolge van de differentiëelwerking zal er een koppeloverschot gaan ontstaan op het wiel met de lage µ-waarde waardoor een wielversnelling ontstaat en het wiel met de hoge µ-waarde geen koppel aangeboden krijgt dat in overeenstemmimg is met de hoge aanwezige wrijvingscoëfficiënt. Het -in deze situatie- terugnemen van het motorkoppel kan wel de wielversnelling en het extreem spinnen voorkomen maar vergroot niet het koppel op het andere wiel. Het ligt dus voor de hand om het doordraaiende wiel met behulp van het remsysteem te gaan afremmen. We brengen dan als het ware een extra koppel aan waardoor het andere wiel ook een groter koppel krijgt. Dit systeem dat onderdeel uitmaakt van een compleet ASR-systeem staat bekend onder een elektronisch sperdifferentiëel (EDS). Een ABS-systeem in combinatie met EDS zonder ASR is ook goed mogelijk. Het EDS-systeem wordt dan beschouwd als een uitbreiding op het ABS-systeem. Het systeem werkt alleen bij lage snelheden en kijkt naar de toerentalverschillen die optreden tussen links en rechts van de aangedreven as(sen). Het aandrijfkoppel (M) wordt gelijk over de linker- en rechteras verdeeld en wel zodanig dat geldt: M-as links = M-as rechts Wordt er op het rechter wiel door het EDS ingegrepen omdat dat wiel spint dan geldt: M-as links = M-as rechts + M-EDS 4
Het aandrijfmoment op het linker wiel gaat dan omhoog. Het wiel op µ-hoog krijgt dus een grotere netto trekkracht. Wanneer het systeem ook kan ingrijpen op het motorkoppel (volledig ASR-systeem) dan zal tijdens eenzijdige wegtrekslip behalve het remsysteem, indien nodig, ook de motorkoppelregeling in actie komen. 4 De ASR-aanpassingsregeling Fig. 4 laat met behulp van een viertal grafieken zien op welke wijze er wordt ingegrepen wanneer er met volgas wordt weggetrokken (BMW met ABS/ASR). Om een ASR-systeem onder alle omstandigheden goed te laten functioneren Figuur 4: ASR-regeling in actie tijdens het wegtrekken in een slipsituatie. zijn zelfaanpassende (adaptieve) regelingen noodzakelijk. Omdat de belangrijkste informatie die het ASR-systeem binnen krijgt van de wielsensoren afkomstig is, zullen bandenvariaties een grote invloed op de regeling uitoefenen. De aanpassing aan de verschillende wrijvingscoëfficiënten is van groot belang. Bekend is dat de ondergrond een grote rol speelt maar ook bandentype, bandenmaat en profieldiepte spelen mee. Uit het verschil tussen de aangedreven wielen en de voertuigsnelheid wordt de versnelling bepaald. Met de reeds ter beschikking staande informatie omtrent de beschikbare wrijvingscoëfficiënt kan de regeling zich aanpassen en in werking komen. In het lage snelheidsbereik en in het bijzonder bij het wegtrekken is, zoals we reeds hebben gezien, een speciale regelafloop noodzakelijk. Omdat bij het wegtrekken vanuit stilstand een grote wrijvingcoëfficiënt noodzakelijk is en er op 5
dat moment nog geen wegdek-informatie voorhanden is wordt er van een grote wrijvingscoëfficiënt uitgegaan zodat het wegtrekken met optimale tractie mogelijk wordt. Naarmate de snelheid hoger wordt, zal het regelprogramma zich meer en meer richten op de stabiliteitsvoorwaarden en krijgt tractie een lagere prioriteit. Bij veel systemen vindt ook slechtwegdek-herkenning plaats. Karakteristiek voor slechte wegdekken zijn hoogfrequente trillingen in de toerentallen van de wielen bij de niet aangedreven assen. Hierdoor kunnen aan de wielen kortdurende hoge versnellingen worden gemeten die de aannemelijke (plausibele) waarden overschrijden. Wordt dit door de computer herkend dan wordt de aanspreekgevoeligheid van het ASR-systeem verminderd. Optimalisering van het systeem wordt verder verkregen door het gedrag van de bestuurder mee te nemen. Een aangepast rijgedrag doordat bijv. het gaspedaal behoedzaam wordt bediend is voor het systeem aanleiding om voor optimale rijstabilisatie te kiezen. Fig. 5 laat een staprespons zien van het plotseling intrappen van het gaspedaal bij een voertuig met achterwielaandrijving op ijs (µ-max 0,2) bij een bocht van 200 m en een snelheid van 80 km/h. We zien dat de regeling nauwelijk het verder opengaan van de gasklep toestaat. Wel is in het regelgedrag een zekere mate van overshoot en uitslingering waarneembaar. Figuur 5: Regeling van een ASR systeem bij het plotseling intrappen van het gaspedaal. 6
5 Uitvoering We nemen een ABS-systeem dat uitgebreid moet worden met een sperdifferentiëel functie (ABS + ESD). Het aangedreven en doordraaiende wiel moet dan worden afgeremd. Het ABS-systeem zal hiervoor moeten worden uitgebreid met een perspomp. Er is immers remdruk nodig wanneer er niet geremd wordt. Men kan hiervoor de ABS-retourpomp uitvoeren als een zuig-perspomp. Verder dient het systeem te worden uitgevoerd met twee extra kleppen voor de aangedreven as en een hogedruk-accu. Fig. 6 geeft ons de schematische opstelling van een ABS/EDS (ASR) systeem voor twee aangedreven wielen. Wanneer EDS EDS achter hogedruk accu pomp lage druk accu remschijf l.v remschijf r.v Figuur 6: De klepopstelling van twee aangedreven wielen bij een voertuig met een elektronisch sperdifferentieel of een complete ASR. Situatie: rust. éénzijdige wielspin wordt geconstateerd dan worden eerst de twee EDS (ASR)- kleppen en de doorlaatklep naar het stilstaande (of langzamer draaiende) wiel bekrachtigd (fig. 7). Vervolgens wordt de drukpomp geactiveerd en zal het spinnende wiel worden afgeremd waardoor het koppel op het stilstaande of langzamer draaiende wiel wordt vergroot. De verdere regeling is gelijk aan de ABS-regeling. Druk gelijkhouden wordt verkregen door de linker ABS-klep te bekrachtigen en druk afbouwen wordt verkregen door de rechter ABS-klep er bij in te schakelen. De pomp blijft loos doordraaien. 7
EDS hogedruk accu pomp EDS lage druk accu EDS actief achter sluit af remschijf l.v remschijf r.v Figuur 7: Beide ASR-kleppen worden bekrachtigd waardoor de pomp vloeistofdruk kan opbouwen en het doorslippende wiel (links) wordt afgeremd. Het andere wiel (rechts) wordt van het systeem afgesloten. 6 Vragen en opgaven Zie boek 8