TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA STROJNÍ Katedra vozidel a motorů
Měření parametrů na volantu osobního automobilu Measurments parameters on steering wheel car
Diplomová práce
František Klapal
Květen 2008
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA STROJNÍ Katedra vozidel a motorů
Obor 2302T010 Konstrukce strojů a zařízení
Zaměření
Kolové dopravní a manipulační stroje
Měření parametrů na volantu osobního automobilu Measurments parameters on steering wheel car
Diplomová práce KVM – DP - 559 František Klapal
Vedoucí diplomové práce: ing. Robert Voženílek Konzultant diplomové práce: prof. Jan Honců, CSc
Počet stran ……..…………..…. 54
Počet obrázků………. 30
Počet tabulek……….. 2
Počet příloh……… 10
2
Anotace
Diplomová práce se zabývá konstrukčním řešením měřícího zařízení pro měření parametrů na volantu osobního automobilu Škoda Roomster, metodikou měření a využitím výsledku pro grantový úkol řešený na KVM Technické univerzity v Liberci.
Konstrukce měřícího zařízení je volena jako plnohodnotný původní sloupek volantu, který je měřícím zařízením nahrazen. Měření bude prováděno v běžném provozu, proto musí konstrukce splňovat bezpečnostní limity při možné kolizi.
Simulací pomocí MKP bude ověřena pevnost hlavní nosné části měřícího zařízení.
Data získaná při měření budou sloužit pro vývoj a naladění mechanismů řízení pro osobní automobil s ohledem na rychlost jízdy, zrychlení volantu, a do budoucna i s ohledem na hustotu provozu, hmotnost řidiče, povětrnostní podmínky tak, aby aktivní bezpečnost automobilů i se zapojením jiných systémů bezpečnosti, jako ABS, ESP a jiných, byla co největší. Data budou využívána pro naladění umělé citlivosti řízení typu STEER BY WIRE, tedy řízení po drátě, které je v blízké budoucnosti možnou náhradou konvenčních typů řízení.
Annotation
Diploma work deals with constructional solving of gauging appliance for measuring parameters on steering wheel of Škoda Roomster car, procedure of metering and usage the results for grant project solved on KVM departement of Technical University in Liberec.
The construction of gauging appliance is made like a full-value replace of the original steering post. The measuring will be implemented in a common traffic, therefore the construction have to fulfil security limits for possible crash.
Simulation, with help of FEM metod, will test the fortress of main load-bearing parts of this gauging appliance.
The obtained data from measuring process will serve for development and tune of steering system, with reference to driving velocity, steering wheel acceleration, and in future to traffic density, driver weight and weather conditions too, so that the active safety of cars (in touch with other system safeness like ABS, ESP etc.), was as much as possible. The data will be used for tune of artificial steering sensibility (STEER BY WIRE) – also wire control – that is in the near future possible replace of conventional steering type.
4
Klíčová slova Keywords
Parametr, Parameter,
měření, measurement,
volant, steering wheel,
řízení, steering,
konstrukce, construction,
síla, force,
vůle, play,
krouticí moment. torsion moment.
Desetinné třídění: 629.3.027.415
Zpracovatel: TU v Liberci, Fakulta strojní, Katedra vozidel a motorů Dokončeno : 2008
Archivní označení zprávy:
Prohlášení o původu diplomové práce
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.
V Liberci dne ……… ………
podpis
Prohlášení k využitím výsledků diplomové práce
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č.121/2000 sb. O právu autorském, zejména §60 školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL, v tom případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
V Liberci dne ……… ………
podpis
6
Poděkování
Rád bych poděkoval vedoucímu diplomové práce ing. Robertu Voženílkovi za konzultace a rady při tvorbě mé diplomové práce a také bych rád poděkoval všem, kteří mi dali cenné rady a zkušenosti vedoucí k optimalizaci mé diplomové práce.
Věnování
Tuto diplomovou práci věnuji své přítelkyni Michaele Holubové za psychickou podporu a svému otci Františku Klapalovi za silnou finanční podporu.
8
Seznam použitých zkratek
3D……… třírozměrný obraz
8.8 ……… pevnost šroubů
ABS ……… protiblokovací systém brzd apod. ……… a podobně
č. ………... číslo
EHK ……… Evropská hospodářská komise ESP ……… stabilizační systém automobilu KVM ……… katedra vozidel a motorů
M6 ………... metrický závit průměru 6 milimetrů MKP ……… metoda konečných prvků
např. ……… například
NCAP ……… nezávislá zkušebna bezpečnosti automobilů
obr. ……… obrázek
sb. ……… sbírky
tř. ……… třídy
Seznam použitých jednotek
a……… zrychlení……….. [m.s-2]
F……… síla ………. [N]
m ……….. hmotnost ………..… [kg]
t ………... čas …………...……. [s]
v ……….. rychlost ……… [km.h-1]
rozměr …………...… [cm]
síla ... [daN]
rozměr ... [m]
krouticí moment ... [Nm]
hmotnost ... [kg]
síla ... [kN]
napětí v materiálu ... [MPa]
elektrické napětí ... [V]
délka ... [km]
rozměr ... [mm]
Obsah
1Úvod...12
2Měřené parametry na volantu...15
2.1Proč měříme parametry na volantu?...15
2.1.1Bezpečnost...15
2.1.2Legislativa – vyhláška č.197/2006 sb...15
2.2Jaké měříme parametry...17
2.3Postup měření parametrů na volantu...17
2.3.1Měření volantové vůle...17
2.3.2Měření síly na věnci volantu...18
2.3.3Počet otáček volantem z jedné krajní polohy do druhé...19
2.4Přístroje a zařízení k měření parametrů na volantu...20
2.4.1Pro úhel natočení volantu ...20
2.4.2Pro moment na volantu...21
2.4.3Omezovač natočení volantu (doraz)...21
2.4.4Fixování volantu v přímém směru...21
2.5Přehled měřících zařízení ...22
2.5.1Konstrukce a popis realizovaných měřících zařízení...22
2.6Metodika měření...24
2.7Cíle měření...24
3Konstrukce měřícího zařízení...24
3.1Sloupek řízení Škoda Roomster...24
3.1.1Původní sloupek volantu ...24
3.1.2 Uchycení sloupku volantu ve vozidle...25
3.1.3Popis původního sloupku volantu...26
3.2Varianty navrhovaných konstrukcí ...26
3.2.1Využití měřícího zařízení...26
3.2.2Varianta 1...27
3.2.3Varianta 2...28
3.2.4Varianta 3...30
3.2.5Umístění snímačů síly nebo krouticího momentu...31
3.2.6Výběr z navrhovaných variant...31
3.3Výběr komponentů...32
3.3.1Výběr snímačů...32
3.3.2Připojovací součásti...32
3.4Úprava sloupku volantu...32
3.4.1Vlastní změny konstrukce...32
3.4.2Uložení volantové tyče...32
3.4.3Volantová tyč...33
3.4.4Další součásti...35
3.4.5Snímač otáček...37
3.5Sestavené měřící zařízení...39
3.5.1Ukázka 3D modelu...39
4Pevnostní analýza...41
4.1Pevnostní ověření pomocí MKP...41
4.1.1 Principy MKP...41
4.1.2Důvod ověřování...41
4.1.3Volba sil...41
4.1.4Podmínky ztěžování...43
4.1.5Posuvy ...44
4.1.6Napětí...45
4.1.7Hodnocení výpočtu...45
5Sběr měřených dat...46
5.1Měření sil a momentů...46
5.2Schéma měření...46
6Využití výsledku v Grantu 101/06/1703 – 1...47
10
6.1Inteligentní systém směrového řízení vozidla STEER-BY-WIRE...47
6.1.1Blízká budoucnost...47
6.1.2Přenos ovládacích sil...47
6.1.3Navrhovaná metodika měření...48
6.1.4Podpůrné měření...49
6.1.5Kontrola modelu axiálního táhla...50
6.2Měření volantové vůle s pomocí snímače síly...50
7Závěr...51
8Literatura...52
9Přílohy...54
1 Úvod
Pro správné fungování a chování automobilů v provozu je důležité naladění všech systémů automobilu.
K optimalizaci provozních vlastností automobilu je důležitý sběr dat ze systémů řízení, ovládání a chování automobilu, a to v běžném provozu nebo v simulovaných podmínkách.
Legislativně jsou upraveny hodnoty mechanismů řízení pouze pro homologaci, ale ke správnému naladění je třeba měřit nepřetržitě speciálním zařízením a to v běžném provozu.
V mé diplomové práci se zabývám konstrukční úpravou sloupku řízení osobního automobilu Škoda Roomster pro měřící zařízení, kterým bude možné zjišťovat parametry na volantu. Popisuji současné zařízení sloužící k měření parametrů na volantu, které je užíváno pro legislativní měření, a další možné varianty měřících zařízení, které navrhuji. Pro jednu variantu je provedena konstrukční zástavba v osobním automobilu Škoda Roomster a popsaná metodika měření.
Grantový projekt řešený na katedře vozidel a motorů v Liberci se zabývá problematikou řízení vozidel „steer-by-wire“ v doslovném překladu „řízení po drátě“.
Mechanismus řízení vozidla dnes musí být proveden jako pevné mechanické spojení mezi volantem, na který působí řidič svou silou při směrovém řízení vozidla a řízeným kolem. Pevné mechanické spojení, kterým musí být vozidlo vybaveno, je dáno zákonem a vyhláškou o způsobu schvalování technické způsobilosti vozidel.
Řízení typu „steer-by-wire“ je tedy v rozporu s vyhláškou, ale je to jedna z cest ovládání automobilu v budoucnosti. Pro přenos ovládacích sil na řízená kola je důležitá volba řídícího mechanismu. V prototypech je používán klasický volant s nožními ovládacími pedály s uměle vytvořenou silou (subjektivní pocit zátěže) vyobrazený na obr. 1. Je možné použít speciálně upraveného volantu obr. 2, kde je
12
složitější naladění, protože volant se otáčí na každou stranu jen o necelých 120°
ve své ose. Jsou zde zachovány nožní ovládací pedály. Další z možností je použití řídícího joysticku, u kterého není třeba nožních pedálů, ale je důležité přesné naladění systémů brzd, řízení a akcelerace, protože řidič ovládá automobil pouze rukou, jak je vidět na obr. 3.
Obr. 1 Ovládání řízení volantem |www.conekt.net/docs|
Obr. 2 Ovládání řízení speciálním volantem |www.motortrend.com/features/consumer|
Obr. 3 Ovládání řízení joystickem |www.ultimatecarpage.com|
14
2 Měřené parametry na volantu
2.1 Proč měříme parametry na volantu?
2.1.1 Bezpečnost
Řízení je jedna z nejdůležitějších součástí na vozidle společně s brzdami a je u každého vozidla homologováno nebo schvalováno. V homologaci je zahrnut popis konstrukce mechanismu řízení z hlediska všeobecných podmínek, požadavků týkajících se poruch a vlastností, výstražné signalizace nemechanických poruch při provozu, pravidelné technické prohlídky mechanismů řízení, dále způsob jakým se bude provádět zkouška řízení a limity pro měření.
Homologační zkoušky mechanismu řízení se provádějí podle předpisu EHK č. 79. Mechanismus řízení se skládá z ovládacího orgánu řízení, převodu řízení, řízených kol a přívodem energie, pokud je jím vozidlo vybaveno.
2.1.2 Legislativa – vyhláška č.197/2006 sb.
Motorová vozidla musí z hlediska řízení splňovat podmínky stanovené zvláštními předpisy nebo vycházet z doporučených technických norem a musí být podle nich homologována nebo schválena. Řízení musí být konstruováno tak, aby byla stále zaručena snadná, rychlá a bezpečná ovladatelnost vozidla.
Mechanismus řiditelné nápravy a geometrie řízení musí být konstruovány a provedeny tak, aby nevznikaly kmity a rázy v řízení. Šroubové spoje musí být bezpečně zajištěny.
Motorová vozidla s nejvyšší konstrukční rychlostí vyšší než 30 km/h musí mít konstruováno řízení tak, aby se řízená kola po projetí zatáčky samočinně vracela do přímého směru nebo aby k vrácení kol do přímého směru byla potřebná podstatně menší síla než pro jejich pohyb do zatáčky. V řídicím ústrojí se nepřipouštějí vůle. Ty by zhoršovaly ovladatelnost vozidla, plynulost přenosu ovládací síly na řízená kola a stabilitu v přímém směru jízdy. Řídicí ústrojí musí vykazovat dostatečnou tuhost.
Řídicí ústrojí motorových vozidel při nastavení kol do přímého směru nesmí mít mechanickou vůli na volantu větší než 18° u vozidel s nejvyšší konstrukční rychlostí převyšující 100 km/h. Měří se při pohotovostní i celkové hmotnosti vozidla. Řízení motorových vozidel, pokud není vybaveno posilovacím zařízením, musí být konstruováno tak, aby počet otáček volantu nepřesáhl 5 z polohy odpovídající vychýlení vnitřního řízeného kola vozidla o 35° zprava do stejné polohy vlevo nebo z jedné krajní polohy do druhé, pokud není docíleno úhlu vychýlení řízeného kola 35°. Krajní vychýlení řídicích kol musí být omezeno dorazy. Mechanismus řízení vozidel kategorií M1 a N1 musí z hlediska ochrany řidiče splňovat podmínky stanovené zvláštními předpisy a musí být podle nich homologován. Požadavky na ovládací sílu pro neporušený mechanismus řízení podle kategorií vozidel jsou v tabulce 1.
Kategorie vozidla Maximální ovládací síla (daN)
Čas (s)
Poloměr zatáčení (m)
M1 15 4 12
M2 15 4 12
M3 20 4 12*/
N1 20 4 12
N2 25 4 12
N3 20 4 12*/
Tabulka 1 Síly na věnec volantu|EHK předpis č. 79, platný od 4.4.2005|
*/Nebo plný rejd kol, nelze-li dosáhnout poloměr 12 m.
16
2.2 Jaké měříme parametry
Na mechanismu řízení měříme parametry, pro které jsou stanoveny limity legislativou. Jedná se o sílu na věnec volantu, vůli mechanismu řízení měřenou na volantu a počet otáček z jedné krajní polohy do druhé.
2.3 Postup měření parametrů na volantu
2.3.1 Měření volantové vůleMěří se úhloměrnou stupnicí a pevným odečítacím okénkem, ve kterém se pohybuje úhloměrná stupnice. Úhloměrná stupnice může být pevně připevněna na volantu měřeného automobilu a pohybovat se, nebo se pohybuje odečítací okénko (pomocná šipka) s volantem obr. 4. Stejným zařízením se odměřuje pootočení řízeného kola, kde řízené kolo je na otočné podložce s odečítacím okénkem a na zemi je pevně připevněna stupnice. Zjišťujeme úhel natočení volantu do doby, než se začne projevovat řízené kolo pootočením na otočné podložce.
Obr. 4 Měření volantové vůle
Častěji se dnes setkáváme s optickým měřením, které je univerzální, jak pro měření geometrie řízeného kola, tak i pro měření volantové vůle a vůle mezi jednotlivými řízenými koly. Tato zařízení jsou konstrukčně velmi složitá.
Využívají optického paprsku, soustavy odrazových ploch a snímacího zařízení s velkým rozlišením. Princip zařízení a metodika měření je stejná, jako u výše uvedeného měřícího zařízení. Dosahovaná přesnost je v rozlišení několika desítek úhlových minut a využívá se pro sportovní vozidla s vysokou konstrukční rychlostí. Protože legislativní předpis udává volantovou vůli dle konstrukční rychlosti, není potřeba vždy využívat pro měření opticky přesné a drahé měřící zařízení.
2.3.2 Měření síly na věnci volantu
Zjišťuje se, jak velkou silou musí řidič působit na řídící mechanismus, aby vozidlo bylo snadně a bezpečně ovladatelné a aby směr ovládání odpovídal zamýšlené změně směru vozidla tak, aby změna mezi pohybem ovládacího orgánu a úhlem rejdu řízeného kola byla plynulá. Měření se provádí za bezporuchového stavu řízení a po předem definované dráze. Měří se doba reakce vozidla a síla, kterou musí řidič vyvinout na určitém poloměru jízdní dráhy (nebo plném rejdu kol). Síla se měří snímači na měření sil nebo snímači měřícími krouticí moment ve volantové tyči. Měření je znázorněno na obr. 5.
18
Obr. 5 Měření síly na věnci volantu
2.3.3 Počet otáček volantem z jedné krajní polohy do druhé
Úhel rejdu kol nesmí být omezen žádnou částí převodu řízení, pokud k tomu nebyla konstruována. Tedy dorazy v plném rejdu kol musí být řešeny na částech, které se netýkají částí mechanismů řízení. Většinou bývají dorazy mezi jedním ramenem řízené nápravy a svisle otočně uloženým unášečem náboje kola.
K měření počtu otáček se používá stejné měřící zařízení jako k měření volantové vůle bez odměřování polohy natočení řízeného kola, jak můžeme vidět na obr. 6.
Obr. 6 Měření počtu otáček
2.4 Přístroje a zařízení k měření parametrů na volantu
2.4.1 Pro úhel natočení volantu
Rychlost a zrychlení natočení volantu dostáváme postupnými derivacemi polohy natočení volantu v závislosti na čase. Snímací zařízení je dnes dodáváno se softwarem, který nám sám přepočítá velikost rychlosti a zrychlení otáčení volantem při měření. Výstupem je časový graf s hodnotami polohy (natočení), rychlosti a zrychlení volantu. Rozdělení snímačů využívajících různých principů snímání znázorňuje tab. 2.
Kontaktní Bezkontaktní
otočný potenciometr Hallův snímač
optický snímač AMR – elementy Tabulka 2 Rozdělení snímačů
20
2.4.2 Pro moment na volantu
Používají se tenzometrické snímače, které pracují na principu změny vodivosti materiálu při mechanickém zatěžování.
2.4.3 Omezovač natočení volantu (doraz)
Vyhláška o schvalování technické způsobilosti přesně vymezuje, na jakých částech mechanismu řízení může být omezovač natočení volantu konstruován a jak musejí být tyto části naddimenzovány. Tato hodnota se neměří, je pouze konstrukční záležitostí.
2.4.4 Fixování volantu v přímém směru
Vyhláška o schvalování technické způsobilosti přesně vymezuje samočinné navracení kol po projetí zatáčky do přímého směru, nebo aby k vrácení kol do přímého směru byla potřebná podstatně menší síla než pro jejich pohyb do zatáčky. Tedy je to dáno konstrukcí a geometrií řízené nápravy a mechanismů řízení.
2.5 Přehled měřících zařízení
2.5.1 Konstrukce a popis realizovaných měřících zařízení
Konstrukce měřících zařízení je velmi různorodá. Dnes se spíše konstruují kompaktnější zařízení, tedy jeden celek tvoří tenzometrické snímače na měření síly, snímače pro měření úhlu natočení volantu a vlastní volant. Takovéto zařízení se připevňuje přímo na jemné drážkování volantové tyče, znázorněno na obr. 7, nebo přímo na věnec volantu obr. 8. U některých konstrukcí, jako na obr. 9, je snímač polohy na volantové tyči a tenzometrické snímače pod volantem.
Obr. 7 Měřící zařízení montované na volantovou tyč | CORRSYS - DATRON|
22
Obr. 8 Měřící zařízení montované na věnec volantu
| CORRSYS - DATRON|
Obr. 9 Měřící zařízení s pohonem snímače úhlu a otáček z volantové tyče |www-cdr.stanford.edu|
2.6 Metodika měření
Při homologaci a schvalování mechanismu řízení je metodika měření stanovena vyhláškou. Měření se provádí na povrchu s dobrou adhezí. Vozidlo je zatíženo na svou maximálně technicky přístupnou hmotnost s nahuštěnými pneumatikami podle předpisu výrobce. Dalšími zkouškami jsou jízdní testy, při kterých se zkouší ovladatelnost vozidla. Vozidlo se zkouší na pohotovostní a maximální technicky přípustnou, tedy celkovou, hmotnost. Test se provádí na stanovené dráze tzv.“ losí test“ podle normy ISO/TR 3888 a na jízdě po kružnici o poloměru 50 m a při rychlosti 50km/h.
2.7 Cíle měření
Dosud jsou naměřená data vyhodnocena pouze pro homologaci či schvalování a nejsou snímána průběžně při provozu automobilu, tak jako dnes data z motoru nebo jiných komfortních výbav automobilů. V budoucnu se očekává změna normy ISO 11992 Mezinárodní organizace pro normalizaci tak, aby byl zahrnut nepřetržitý sběr dat pro ovládání a řízení vozidla.
3 Konstrukce měřícího zařízení
3.1 Sloupek řízení Škoda Roomster
3.1.1 Původní sloupek volantu
Původní sloupek volantu je sériově vyráběná součást v koncernu VW. Je sestaven z několika částí, z nichž nejsložitější je stavitelný systém polohy volantu.
Možnost nastavení je jak výškové, tak i délkové. Polohovací zařízení tvoří největší část zástavby sloupku volantu tam, kde je připevněn. Původní sloupek volantu je vidět na obr. 10.
24
Obr. 10 Sloupek volantu Škoda Roomster 3.1.2 Uchycení sloupku volantu ve vozidle
Uchycení sloupku volantu v karosérii je pomocí třech bodů. Dva jsou šrouby, které se šroubují do nosného rámu mezi „A“ sloupky a třetí je otočně opěrný bod.
Viz obr. 11.
Obr. 11 Uchycení původního sloupku ve vozidle
3.1.3 Popis původního sloupku volantu
Volantová tyč je svařenec z jednoduchých rotačních součástí. Polohovací zařízení je složeno z kovových a plastových dílů, které jsou pomocí síly, vyvozené v excentricky uložených elementech (válečkách), zajištěny v libovolné poloze.
Ovládání excentricky uložených elementů je pomocí páky v dolní části sloupku řízení. Excentricky uložené elementy polohovacího mechanismu jsou pevně spojeny s čtyřhrannou trubkou lisovanou z plechu, ve které jsou uložena ložiska nesoucí volantovou tyč. K této trubce je montován zámek volantu společně se spínací skříňkou a malý nástavec nesoucí páčkové přepínače. Ke spojení řízení a volantové tyče, které jsou vzájemně mimoběžné, a k přenesení krouticího momentu od volantu, je použito dvou kardanových závěsů. Toto spojení slouží také jako bezpečnostní prvek tak, aby volantová tyč nebyla jeden celek a nebyla nebezpečnou pro řidiče. Třetí otočně opěrný bod je před kardanovými závěsy a nese opěrné ložisko volantové tyče.
3.2 Varianty navrhovaných konstrukcí
3.2.1 Využití měřícího zařízeníKonstrukce měřícího zařízení by měla být co nejjednodušší vzhledem k zástavbě do vozidla, použitých snímačů a úprav původního sloupku volantu, volbě použitých materiálů, s ohledem na metodiku měření parametrů na volantu.
Bylo by vhodné upravit měřící zařízení tak, aby bylo možné měřit parametry i v jiných automobilech.
26
3.2.2 Varianta 1
Volant, volantová tyč a ostatní příslušenství volantu, ovládací prvky automobilu u volantu (přepínače, ovladače, spínací skříň, a jiné) jimiž je vozidlo vybaveno, jsou bez jakékoliv změny konstrukce. Konstrukce měřícího zařízení je složitější. Také dojde ke zmenšení prostoru mezi sedadlem řidiče a volantem.
Zařízení je jednoduší pro svou montáž do vozidla, kdy se měřící zařízení pevně přimontuje na věnec volantu automobilu pomocí svěrných spojů. Svěrné spojení musí zaručovat přenesení síly z malého volantu měřícího zařízení na původní volant. Měřící zařízení by bylo možno použít pro různé automobily se stejným průměrem věnce volantu nebo s malou úpravou uchycení, pro více druhů, typů a modelů automobilů. Snímač otáček musí být pevně přimontován ke karoserii vozidla a to tak, aby byl správně napnut ozubený řemen převodu z náboje měřícího zařízení na snímač otáček. Návrh konstrukce varianty 1 znázorňuje obr.
12.
Obr. 12 Navrhovaná varianta 1
Výhody:
- žádná konstrukční změna sloupku volantu - univerzálnost
- možnost použití tenzometrických snímačů síly Nevýhody:
- komplikovanější pevné uchycení snímače otáček (ke sklu, rámu dveří apod.) - zmenšení prostoru mezi sedadlem řidiče a volantem
- vyřazení z činnosti prvku pasivní bezpečnosti (airbag), pro jízdní zkoušku v běžném provozu to není bezpečné
- převod signálu síly z rotujících částí
3.2.3 Varianta 2
Náboj snímače síly, nebo krouticího momentu, je montován na konec volantové tyče tam, kde je jemné drážkování pro montáž volantu. Umístění snímače síly a konstrukce tělesa, kde bude snímač síly umístěn, je obdobná s variantou 1. Změna je ve volantové tyči, která je přizpůsobena k umístění hnacího ozubeného kola pro snímač otáček. V návrhu je jedna z možných podob umístění snímače otáček. Jeho umístění může být podle potřeby a zástavby změněno v celém rozsahu volantové tyče. Snímač musí být pevně namontován ke karoserii, nejlépe v místě uchycení sloupku volantu ke karoserii. Návrh konstrukce na obr. 13.
28
Obr. 13 Navrhovaná varianta 2
Výhody:
- jednoduchá konstrukce
- jednodušší uchycení snímače otáček
- po přizpůsobení náboje snímače a vedení elektroinstalace, možnost použít původní volant (airbag)
Nevýhody:
- zmenšení prostoru mezi sedadlem řidiče a volantem - převod signálu síly z rotujících částí
- nutná demontáž sloupku volantu, úprava volantové tyče pro montáž ozubeného kola
3.2.4 Varianta 3
Varianta 3 nabízí jednodušší konstrukci, protože není tak omezena minimalizací rozměrů. Volant a připojení k řízení je původní. Upravena je volantová tyč v místě hnacího kola ozubeného řemene snímače otáček a v místě uložení snímače krouticího momentu. Jemné drážkování pro montáž volantu stejně jako spodní část pro třetí ložisko u kardanových závěsů je z původního sloupku volantu. Návrh konstrukce obr. 14.
Obr. 14 Navrhovaná varianta 3
Výhody:
- jednodušší uchycení snímače otáček
- snímač krouticího momentu je pevně přimontován, signál je veden jednoduchým kabelem
- použití původního volantu (airbag)
- beze změny prostoru mezi sedadlem řidiče a volantem
30
Nevýhody:
- větší konstrukční úprava původního sloupku volantu, připojení snímače krouticího momentu a hnacího kola ozubeného řemene snímače otáček
3.2.5 Umístění snímačů síly nebo krouticího momentu
Tenzometrický snímač krouticího momentu, který by byl zabudován přímo do volantové tyče, by byl optimálnějším měřícím snímačem než snímače síly.
Snímače síly se připevňují na konstrukční část přenášející síly z volantu na volantovou tyč a jsou umístěny na určitém poloměru tak, aby se naměřená síla dobře přepočítávala na sílu, jakou působí řidič na věnec volantu. Při použití snímače síly je konstrukční řešení jednodušší. Měřící zařízení je menší a umisťuje se na volantovou tyč nebo přímo na volant.
3.2.6 Výběr z navrhovaných variant
Posouzením podle výhod a nevýhod jednotlivých variant bych upřednostňoval variantu 1.
Univerzálnější měřící zařízení (varianta 1) není možné opatřit prvky pasivní bezpečnosti a vzhledem k tomu, že měření budou prováděna i jízdními zkouškami v běžném provozu, volím mezi variantou 2 a 3. Myslím, že je důležitější bezpečnost zkušebního řidiče, popřípadě jiných osob provádějících měření, než univerzálnost zařízení.
Na katedře vozidel a motorů je používán již dříve zakoupený snímač krouticího momentu od firmy Hottinger a snímač otáček od firmy RLS, volím složitější konstrukční úpravu sloupku volantu, variantu 3. Při využití měřících přístrojů z katedry vozidel a motorů budou pořizovací náklady měřícího zařízení orientované pouze výrobou a nákupem připojovacích součástí.
3.3 Výběr komponentů
3.3.1 Výběr snímačůNa katedře vozidel a motorů je používán tenzometrický snímač krouticího momentu firmy Hottinger, typu T5 50 Nm a snímač polohy od firmy RLS, typu RMB 30. Konstrukce bude složitější, ale levnější než pořizování jiných snímačů.
3.3.2 Připojovací součásti
Pro připojení snímače krouticího momentu použiji sériově vyráběné svěrné spoje od firmy Clampex.
Pro převod na snímač otáček navrhuji ozubená kola a ozubený řemen od firmy Ulmer.
Ostatní součásti navrhuji jako vyráběné. Výkresy vyráběných součástí jsou přílohou diplomové práce.
3.4 Úprava sloupku volantu
3.4.1 Vlastní změny konstrukceÚprava konstrukce vychází ze zástavbových možností snímače krouticího momentu. Snímač krouticího momentu bude zabudován do osy otáčení volantové tyče. Tím bude změněna konstrukce uložení volantové tyče a upravena volantová tyč.
3.4.2 Uložení volantové tyče
Navržené uložení volantové tyče je vyrobeno jako svařenec z vypálených ohýbaných plechů a švové trubky. Jde o jednoduchý svařenec.
32
Středová trubka bude upravena třískovým obráběním podle výkresové dokumentace.
Ostatní profily, jako profil – L, U, a jiné, budou vypáleny z plechových pásů podle potřebné tloušťky a šíře i s otvory a v místech jejich ohybu bude vypálen milimetrový zářez. Umístění jednotlivých částí při svařování bude podle výkresové dokumentace. Ukázka 3D modelu je na obr. 15.
Obr. 15 Uložení volantové tyče
Takto upravený sloupek nebude možné výškově ani délkově přestavovat podle velikosti řidiče. Úhel montáže do vozidla a vysunutí je voleno optimálně pro člověka s vlastní výškou přibližně 190 cm.
3.4.3 Volantová tyč
Teleskopická volantová tyč je sériově vyráběna z několika dílů. Jedním z nich je profilovaná trubka (hřídel volantu), uvnitř které je zalisována menší trubka tak, aby její délka byla plynule posuvně měnitelná v určitém rozsahu. Zalisování je provedeno na dvou bodech na konci čtyřhranného profilu hřídele volantu po
nasunutí menší profilované trubky. Toto zalisování umožňuje volný posuvný pohyb, ale zamezuje úplnému vysunutí menší trubky z hřídele volantu. Sériová tyč obr. 16.
Obr. 16 Původní volantová tyč
Upravená volantová tyč je na obr. 17. Hlavní změna je v délkách jednotlivých tyčí, které jsou upraveny na stanovený rozměr a nebude možné libovolně měnit jejich délku, tedy nastavovat volant.
Obr. 17 3D ukázka upravené volantové tyče
34
Volantová tyč bude uvnitř obráběna (v místě čtyřhranu) a v tomto místě bude přivařena hřídel pro pohon snímače otáček. Menší trubka je zvnějšku obrobená na průměr náboje připojovací příruby.
Ložiska nesoucí volantovou tyč jsou uložena v trubce uložení hřídele volantu.
Ložiska hřídele volantu a menší tyče použiji původní.
3.4.4 Další součásti
Hřídel pohonu snímače otáček, která je navařena v hřídeli volantu, je jednoduchou rotační součástí. Zvolím materiál ocel tř. 11 s dobrou svařitelností.
Po svařování bude hřídel soustružena dle výkresové dokumentace. Tím bude docílena souosost hřídele a volantové tyče s větší přesností tak, aby házení přírub po montáži bylo co nejmenší. Připojovací součásti lze vidět na obr. 18.
Obr. 18 3D znázornění připojovacích součástí
Na hřídeli bude nasazeno ozubené kolo pro převod na snímač otáček. Ozubené kolo bude staženo přírubou, která se montuje na konec hřídele a slouží k připojení snímače krouticího momentu. Šroubovaná příruba bude lícována k hřídeli tak, že
se zajistí její poloha pružným kolíkem. Toto zajištění je důležité pro přenos krouticího momentu z volantu přes snímač krouticího momentu do řízení.
Pomocí svěrných spojů a přírub se připojí snímač krouticího momentu, jak můžeme vidět na obr. 19.
Obr. 19 Ukázka 3D modelu před smontováním
Vystředění snímače krouticího momentu je zajištěno slícovanými přírubami, které mají vybrání, do kterého zapadají příruby na volantové tyči svými nákružky.
Přenos krouticího momentu mezi přírubami je zajištěno šroubovým spojením.
Spojení zajišťují normalizované součásti. Použity budou šrouby s vnitřním šestihranem pevnosti 8.8 s přesnou podložkou pro šrouby s kulatou hlavou v počtu 3 kusy na každé dvě slícované příruby.
Příruba u ozubeného hnacího kola bude z duralu, aby hmotnost zařízení byla co nejnižší. V ostatních přírubách bude vyroben závit, proto použiji za materiál ocel tř. 11.
Svěrné spoje, KTR 250 firmy Clamplex, se montují mezi hřídel snímače krouticího momentu a vnitřní průměr připojovací příruby. Utahují se předepsaným momentem od výrobce a jsou schopni přenést moment do velikosti 148 Nm.
Spojení menší tyče a příruby s nábojem, pro který je tyč upravena, bude pomocí svěrného spoje vyvozeného dvěma šrouby. Tloušťka náboje je v místě závitu 6 mm a šrouby navrhuji pevnosti 8.8.
36
Poloha snímače krouticího momentu proti pootočení je zajištěna přišroubováním k navařenému ohýbanému plechovému pásu na uložení volantové tyče.
Jednoduchou rotační součástí je nástavec páčkových přepínačů. Bude šroubován na vnější průměr trubky uložení volantové tyče pomocí svěrného spoje.
Největší silou působí na přepínače řidič při ovládání, proto pro vyvození síly ve svěrném spoji nástavce stačí šroubový spoj.
3.4.5 Snímač otáček
Zařízení na obr. 20. je vyrobeno z jednoduchých a normalizovaných součástí.
Normalizované součásti budou zakoupeny.
Obr. 20 Ukázka 3D modelu snímače polohy, natočení
Pro správnou funkci snímače nesmějí být v jeho okolí magnetické materiály.
Těleso zařízení bude z duralu. Připevnění bude pomocí šroubů a to tak, aby řemen převodu byl správně napnut a osa snímače otáček byla rovnoběžná s osou volantové tyče.
Držák, ve kterém je připevněn magnet, je vyroben z duralu a je montován na hřídel snímače. Tolerance umístění magnetu pro správnou funkci měřícího snímače jsou uvedeny na obr. 21.
Obr. 21 Tolerance uložení snímače úhlu|www.rls.si|
Převod je řešen ozubeným řemenem s převodem do rychla v poměru 2:1.
Řemen (typ 6 T 2.5) je vyroben z polyuretanu o délce 177.5 mm. Řemenice (typu 16 T 2.5) s počtem zubů 20 a 40, materiálem je hliník.
Navrhovaná ložiska jsou normalizovaná s označení 619/8. Axiální vůle mezi ložisky bude vymezena opřením jednoho ložiska o hřídel snímače a utažením druhého ložiska přes ozubené kolo. Vymezení vůle bude při vlastním smontování snímače, poté se bude zkompletovaný snímač otáček montovat na sloupek volantu.
38
3.5 Sestavené měřící zařízení
3.5.1 Ukázka 3D modeluNa obr. 22 je sestava celého měřícího zařízení v 3D pohledu.
Obr. 22 3D model kompletního měřící zařízení
Rozměry zařízení jsou srovnatelné s originálním sloupkem volantu. Na straně snímače otáček je nárůst do šíře cca o 1 cm oproti původnímu sloupku volantu.
Na druhé straně je více místa. Navrhovaná trubka sloupku volantu je z materiálu o tloušťce 3 mm, což je o 0,5 mm více než původní a nejsou zde prvky pro stavitelnost volantu, proto bude hmotnost zařízení oproti původnímu sloupku volantu téměř srovnatelná.
Měřící zařízení bude před montáží do vozidla sestaveno. Montáž zařízení pomocí připojovacích součástí bude jednoduchá. Nejdříve se namontují svěrné spoje s přírubami na snímač krouticího momentu. S vystředěním přírub vůči osám otáčení hřídelí krouticího momentu nebudou komplikace, protože svěrné spoje jsou samostředící.
Upravená volantová tyč se vloží do trubky uložení. Nasunou se ložiska a zajistí se pomocí speciálních pružných podložek. Na hřídel, navařenou ve volantové tyči se nasadí ozubené kolo, ozubený řemen a spojovací příruba. Vše bude utaženo šroubem přes podložku. Poté se vyvrtá otvor pro pružný kolík.
Smontování snímače otáček je opět velmi jednoduché. Na hřídel snímače otáček před montáží do tělesa snímače se namontuje držák magnetu i s magnetem.
Poté se hřídel bude montovat do tělesa snímače a to tak, že na hřídel snímače nasuneme ložisko a hřídel vložíme do tělesa snímače. Z druhé strany nasuneme ložisko, ozubené kolo a přes podložku utáhneme maticí.
Ozubené kolo není nijak fixováno proti pootočení na hřídeli. Hřídel snímače a ozubené kolo jsou malých rozměrů, nepřepokládám že by docházelo k pootočení ozubeného kola vlivem setrvačných rotačních hmot. Bude tak stačit svěrná síla mezi ložiskem a maticí vyvozená při utahování.
Optimální utažení bude, pokud se hřídel nebude axiálně pohybovat a bude se velmi lehce otáčet.
Po utažení a optimalizaci axiální vůle přimontujeme elektronickou část snímače otáček. Montáž provedeme pomocí šroubů.
Po zkompletování našroubujeme snímač k předem připravenému místu na trubce uložení volantové tyče.
Napneme řemen tak, aby se v polovině volné délky pootočil o 90° v ose řemene. Pootočení provádíme rukou podle obr. 23.
Obr. 23 Napnutí řemene na snímač otáček
Nyní sešroubujeme připravené části dohromady. Postup montáže do vozidla bude stejný jako montáž originálního sloupku volantu.
40
4 Pevnostní analýza
4.1 Pevnostní ověření pomocí MKP
4.1.1 Principy MKP
Principem metody konečných prvků je výpočet konečného počtu elementů, kterými je reálné těleso nahrazeno. Počet elementů je závislý na jejich velikosti.
Ta je volena tak, aby rozměry matematického modelu co nejpřesněji popisovaly geometrii reálného tělesa. Síť prvků, tvořená elementy, je spojena uzly, ve kterých je napětí mezi sousedními prvky stejné.
Základem jsou tři principy. První princip je založen na zjemňování sítě. Druhý na aproximaci (proložení) křivkami vyšších řádů mezi prvky až do devátého stupně polynomu křivky. Třetí princip je kombinací dvou zmíněných.
Konstrukčních softwarů pracujících na principu MKP je několik.
4.1.2 Důvod ověřování
Původní sloupek je navržen v souladu s legislativou jako prvek splňující parametry při bariérových zkouškách. Konstrukce měřícího zařízení je navržena pro přenos sil z volantu na řízení. Je důležité zjistit, zda vydrží jako prvek pasivní bezpečnosti.
Pevnostně ověřuji nosnou část měřícího zařízení.
4.1.3 Volba sil
Síly působící na trubku sloupku volantu volím podle simulovaných bariérových zkoušek.
Průměrné hodnoty zpomalení a síly vyvolané simulovaným nárazem jsou zjišťovány zkušebnou bariérových zkoušek NCAP.
Pro výpočet použiji průměrnou dobu zpomalení t a hmotnost řidiče m, při čelním nárazu podle NCAP pro rychlost v.
Podle NCAP je čas zpomalení t = 0,15 s z rychlosti v = 64km/h na rychlost 0 km/h . Průměrná hmotnost řidiče m = 85 kg.
Dynamické síly řidiče F při zpomalení vypočteme z jednoduché rovnice.
t kN m v a m
F 10,1
15 , 0
* 6 , 3
* 64 85
*
* = = =
=
Síla, kterou působí řidič na volant, je rozdílem setrvačných sil řidiče a hodnotou 5 kN, kterou zachytí bezpečnostní pás. Tato hodnota odpovídá velikosti síly při zkrucování hřídele bezpečnostního pasu. Je to limitováno maximálním tlakem pásu působícího na hrudní koš.
Velikost síly působí na sloupek volantu je 10.1 kN – 5 kN = 5100 N.
Odhadovaný úhel sloupku ve vozidle obr. 24 je 35°.
Obr. 24 Sklon sloupku volantu
Vypočtená hodnota je zatěžující silou pro metodu konečných prvků, působící pod odhadovaným úhlem na sloupek volantu.
42
Pro výpočet jsem použil program ALGOR, který je založen na principu zjemňování sítě. Výsledkem bude grafický výstup rozložení napětí a posunů s výpisem maximálních hodnot.
4.1.4 Podmínky ztěžování
Namáhání a uložení volantové tyče je znázorněno na obr. 25.
Obr. 25 Okrajové podmínky zatěžování
V místě šroubového spoje jsou fixovány všechny posuvy, proto volím vazbu jako vetknutí. V okolí místa vetknutí lze očekávat vyšší hodnoty napětí. Jsou zde tvarové prvky (zaoblení), které software při výpočtu neumí optimálně popsat matematickým modelem a řeší vždy jen hranice elementů a co je uvnitř pouze dopočítává tak, aby výstupem byl spojitý grafický model.
Síly působící na trubku uložení volantové tyče jsou v místě styku vnějšího kroužku ložiska s trubkou a ve směru působení sily.
4.1.5 Posuvy
Největší posuv je ve směru působení radiální síly, tedy v ose Y. Grafický výstup s hodnotami posuvů v ose Y je na obr. 26.
Obr. 26 Výstup z programu ALGOR – maximální posuv
Maximální vypočtený posuv je v ose Y a je 1,3 mm.
Posuv v ose X je zachycen šroubovým spojem a ten je namáhán na střih.
Posuv v ose Z je zanedbatelný, protože v tomto směru nepůsobí žádná síla a ohnutí nebo deformaci uložení nepředpokládám.
44
4.1.6 Napětí
Napětí, jak je vidět na obr. 27, je koncentrováno v okolí vetknutí a v místech přivaření L–profilů na U–profilu. V místech svarů dochází k ohnutí, proto jsou hodnoty napětí vysoké oproti jiným místům.
Obr. 27 Výstup z programu ALGOR – maximální napětí
Ocel 11343 má maximální dovolené napětí 320 MPa. Maximální vypočtená hodnota napětí je 171 MPa, což je 53% meze pevnosti materiálu.
Vyztužením v místech koncentrace napětí, by byla pevnost konstrukce vyšší, ale vždy by se objevila místa s vysokou koncentrací napětí, jen by se maximální hodnoty pohybovaly o několik desítek MPa níže.
4.1.7 Hodnocení výpočtu
Volený materiál ocel 11343 s mezí pevnosti 320 MPa má podle volby zatěžujících sil vypočtené napětí 171 MPa s maximálním posuvem 1,3 mm.
Materiál je tak namáhán na polovinu dovoleného napětí a je tedy dostatečně předimenzován.
5 Sběr měřených dat
5.1 Měření sil a momentů
Měření bude prováděno jako kontinuální, tedy nepřetržité pro celou dobu testu.
Délka testu se bude odvíjet od vlastností samotné zkoušky. Například pro jízdu po dálnici nebude věrohodná délka zkoušky v úseku 2 km, ale bude potřeba test o délce např. 50 km. Naopak měření bez posilovacího účinku řízení není třeba provádět 30 min nepřetržitě, ale postačí 5ti násobné opakování s korekcí chyb a zprůměrováním dat. Korekce chyb bude omezovat vliv hodnot naměřených v době přehmatů řidiče (zkušebního technika) na věnci volantu.
5.2 Schéma měření
Měření bude prováděno vícekanálovou měřící ústřednou MGC plus firmy Hottinger. Výstupem jsou zesílené a odrušené signály pro zpracování v programu Catman EASY. Program zpracovává signál pomocí počítače a grafickým výstupem na monitor zobrazuje naměřená data. Vlastní schéma zapojení je na obr.
28.
Obr. 28 Schéma zapojení měřící techniky
46
6 Využití výsledku v Grantu 101/06/1703 – 1
6.1 Inteligentní systém směrového řízení vozidla STEER-BY- WIRE
6.1.1 Blízká budoucnost
Grantový projekt řešený na katedře vozidel a motorů se zabývá problematikou řízení vozidel steer-by-wire, v doslovném překladu „řízení po drátě“.
Mechanismus řízení vozidla dnes musí být proveden jako pevné mechanické spojení mezi volantem, na které působí řidič svou silou při směrovém řízení vozidla, a řízeným kolem. Pevné mechanické spojení, kterým musí být vozidlo vybaveno, je dáno zákonem a vyhláškou o způsobu schvalování technické způsobilosti vozidel.
Řízení může být vybaveno posilovačem řízení, tedy energií, která nám posiluje řídící účinek na řízené kolo tak, aby ovládací síly na volantu byly nižší.
Pokud je řízení vybaveno hydraulickým posilovačem řízení, musí být energie hydraulického systému využita pouze k posilování řízení.
Je-li vybaveno elektrickým posilovačem řízení, musí být řešen přívod energie přes dva identické elektrické okruhy na sobě vzájemně nezávislé.
Řízení „steer-by-wire“ je tedy v rozporu s vyhláškou o schvalování technické způsobilosti motorových vozidel, ale je to jedna z cest budoucnosti ovládání automobilu.
6.1.2 Přenos ovládacích sil
K řízení vozidla se využívá přenosu informace pomocí elektrických signálů. Ve vývoji se používá proměnných hodnot proudů a napětí, které jsou vedeny z řídícího mechanismu do elektromotoru, který příslušným momentem, podle hodnot proudu a napětí, ovládá natočení řízeného kola. Pro takovýto způsob řízení je třeba navýšit palubní napětí, se kterým se již uvažuje u elektricky ovládaných
brzd automobilů. Předpokládá se palubní napětí okolo 42 V. Někteří výrobci automobilů ve svých prototypech používají palubní napětí 36 V.
Dalším způsobem přenosu informace je přes elektrické impulsy. Dnes se v automobilech používá multiplextorový systém řízení a kontroly. V takovémto systému je signál, například stažení okna ve dveřích, modulován vysílačem po stisknutí tlačítka do impulsů a veden přes společné vedení až k přijímači, který signál převede zpět na analogový signál pro elektromotor a dojde ke stažení okna.
Zdá se, že systém je složitý pro své převody impulsů a připojením dalších členů jako přijímače a vysílače, ale k ovládání všech dveří postačí 5 kabelů, přičemž dva jsou přívodem elektrické energie (pro případ přerušení jednoho vodiče) a další dva jsou pro signál a pátý vodič je zemnící. Kdyby bylo vše vedeno samostatným vodičem bylo by ve dveřích na 50 vodičů. Nespornou výhodou je nejkratší cesta přívodu energie a snížení hmotnosti ušetřením kabeláže.
Zařízení sloužící k převodu signálu jsou dnes, díky polovodičové technice, velmi spolehlivá a jsou zakomponována přímo do přepínačů a ovladačů.
6.1.3 Navrhovaná metodika měření
Způsobů zjišťování hodnot na volantu je jistě celá řada.
Pro optimální přizpůsobování nových systémů řízení je při měření vhodná výměna řidičů, například podle kategorií populace.
Hodnoty získané měřením v běžném provozu tvoří jistě nejpodstatnější část sběru dat.
Doplňujícími hodnotami by mělo být měření např. s podhuštěnými pneumatikami, s různě zatíženým automobilem, na různých površích (asfalt, beton, kluzký povrch).
Další z možností je speciálně upravená jízdní dráha, která se projíždí různými rychlostmi, obdoba losího testu.
48
6.1.4 Podpůrné měření
K zpřesnění výsledků je na axiálním táhlu řízení, které je konstrukčně upraveno, namontován snímač síly viz obr. 29.
Obr. 29 Snímač síly na axiálním táhle řízení
Snímač síly od firmy Hottinger s označením U9B pro sílu 10kN.
Axiální táhlo řízení bylo zkráceno a na koncích vyrobeny závity. Dalšími součástmi jsou připojovací pouzdra a vnější objímka sloužící jako ochrana pro případ ohnutí axiálního táhla v místě snímače. Pokud by nastala taková situace, došlo by s velkou pravděpodobností k poškození snímače. Vnější objímka je montována s malou vůlí a tak se, při malém ohnutí, opře o pouzdro a tím nedojde ke zničení snímače. Při opření objímky o pouzdro dojde nejspíš ke zkreslení měřených veličin. Neuvažuji, že by síla působící v axiálním táhlu, překračovala sílu 5 kN, kterou je snímač schopen vydržet, aniž by se ohnul. Rázové síly vyvolané nerovnostmi na vozovce však mohou překročit hodnotu 5 kN.
Pro nastavení nulové polohy je použito indukčního lineárního snímače polohy od firmy Hottinger, který bude umístěn na ozubeném hřídeli řízení.
6.1.5 Kontrola modelu axiálního táhla
Pomocí metody MKP v programu ALGOR jsem ověřil maximální posun na konci axiálního táhla při tlačné síle 5kN. Maximální posuv je na obr. 30.
Obr. 30 Výstup z programu ALGOR – maximální posuv
Hodnota maximálního posuvu pro sílu 5 kN je 2,2 mm. Je-li vypočtené ohnutí velké, objímka dolehne na pouzdro a zabrání zničení snímače.
6.2 Měření volantové vůle s pomocí snímače síly
Pomocí snímače v axiálním táhlu změřím volantovou vůli s větší přesností, než na otočné podložce pod řízeným kolem za předpokladu, že čep řízení montovaný na konci axiálního táhla je v provozuschopném stavu a nebude vykazovat větší opotřebení. Pokud bude mít některý díl řízení větší vůli, projeví se to skokovou nebo rázovou změnou měřené hodnoty.
50
7 Závěr
Ke zlepšení ovládání automobilu a zvýšení bezpečnosti silničního provozu by mělo sloužit mnou navržené měřící zařízení. Není univerzální, ale lze jej použít ve vozidlech se stejným sloupkem a uchycením volantu, tedy v koncernových vozidlech VW.
Vlastní konstrukce byla změněna tak, aby byl zachován prvek pasivní bezpečnosti (Airbag). Zástavbové a připojovací rozměry jsou stejné jako u původního sloupku volantu. Uložení volantu není polohovatelné a je pevně nastaveno pro řidiče o vlastní výšce přibližně 190 cm.
V nově navrženém uložení volantové tyče je zabudován snímač krouticího momentu a to v ose volantové tyče se snímačem úhlu natočení volantu. Ke smontování měřícího zařízení slouží především jednoduché rotační součásti, příruby, svěrná spojení a normalizované součásti. Nosná konstrukce volantové tyče je svařenec.
Měřící zařízení je adekvátní náhradou původního sloupku volantu a tak musí splňovat i limity bezpečnosti tak, aby nedošlo k ohrožení posádky. Ověřoval jsem pevnost nosné konstrukce (svařence). Síly působící na nosnou část zařízení jsem spočítal z průměrného zpomalení při bariérových zkouškách podle nezávislé zkušebny NCAP. Metodou konečných prvků jsem ověřil napětí v nosné části.
Výsledkem je napětí, které lehce přesahuje polovinu maximálního dovoleného napětí materiálu.
Při měření bude využito snímače síly uloženého v axiálním táhlu řízení a indukčního snímače polohy ozubené tyče řízení.
Data naměřená ze snímačů pomocí měřící ústředny budou vyhodnocena a poslouží v grantovém vývoji na katedře vozidel a motorů v Liberci pro naladění řízení typu „steer by wire“, tedy „řízení po drátě“. Jde o systém, který využívá elektrických signálů namísto pevné vazby mezi volantem a řízením.
V budoucnu je řízení po drátě možnou náhradou konvenčního sloupku volantu, především s plánovaným zvýšením palubního napětí na hodnoty 42 V.
8 Literatura
Publikace:
[1] VLK, F.: Podvozky motorových vozidel. Brno: Nakladatelství a vydavatelství Vlk, 2000.
[2] VLK, F.: Zkoušení a diagnostika motorových vozidel. Brno: Nakladatelství a vydavatelství Vlk, 2001.
[3] SCHWARZ, J.: Automobily Škoda Roomster., Praha: Grada, 2007.
[4] PUSTKA, Z.: Základy konstruování. Liberec:Vysokoškolský podnik s.r.o., 2004.
[3] LEINVEBER, J.,ŘASA,J.,VÁVRA, P.: Strojnické tabulky. Praha:
Scientia, 1998.
Internetové zdroje:
- Měřící zařízení. [navštíveno 2008-02-15].
dostupný z webu: http://www.corrsys-datron.com
- Měřící zařízení. [navštíveno 2008-01-23].
dostupný z webu: http://www.abd.uk.com.com
- Měřící zařízení. [navštíveno 2008-02-12].
dostupný z webu: http://www-cdr.stanford.edu
52
- Ovládací mechanismus „steer by wire“. [navštíveno 2008-04-26].
dostupný z webu: http://www.conekt.net/docs
- Ovládací mechanismus „steer by wire“. [navštíveno 2008-04-21].
dostupný z webu: http://www.motortrend.com/features/consumer
- Ovládací mechanismus „steer by wire“. [navštíveno 2008-04-26].
dostupný z webu: http://www.ultimatecarpage.com
- Snímače polohy. [navštíveno 2007-11-26].
dostupný z webu: http://www.rls.si
- Snímače polohy. [navštíveno 2007-11-26].
dostupný z webu: http://www.hbm.cz
- Ozubené převody. [navštíveno 2007-11-26].
dostupný z webu: http://www.ulmer.cz
Ostatní zdroje:
- Jednotná ustanovení pro homologaci vozidel z hlediska mechanismu řízení, Evropská hospodářská komise při Organizaci spojených národů, Předpis č. 79, příloha 78, revize 2, doplněk 3 v platnosti od 4. 4. 2005.
- Zákon o schvalování technické způsobilosti silničních motorových vozidel č. 56/2001 sb. a vyhlášky č. 197/2006 sb.
9 Přílohy
Č. výkresu Název Měřítko Formát
KVM-DP-559-1 Sestava 1:2 A2
KVM-DP-559-2 Držák magnetu 2:1 A4
KVM-DP-559-3 Nástavec přepínačů
1:1 A3
KVM-DP-559-4 Hřídel převodu 1:1 A4
KVM-DP-559-5 Hřídel snímače 1:1 A4
KVM-DP-559-6 Příruba 1 1:1 A4
KVM-DP-559-7 Příruba 2 1:1 A3
KVM-DP-559-8 Příruba 3 1:1 A3
KVM-DP-559-9 Těleso snímače 1:1 A3
KVM-DP-559-10 Trubka sloupku 1:2 A2
54
