FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale

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1 U n i v e r s i t à d e g l i s t u d i d i B o l o g n a FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale Studio e valutazione della controllabilità residua per una vettura dotata di EESP con un pneumatico danneggiato Tesi di Laurea di: Gilberto Giardi Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. Gianni Caligiana Prof. Ing. Alfredo Liverani

2 Obiettivo Studio e valutazione di un sistema in grado migliorare la controllabilità residua di un autovettura in caso di danneggiamento di un pneumatico Caratteristiche dell autovettura Automobile di serie (utilitaria o di alta gamma) dotata di ABS (sistema per evitare il bloccaggio delle ruote) ed EESP (Enhanced ESP = sistema di controllo elettronico della stabilità migliorato) Metodologia di lavoro Simulazioni al computer con MATLAB/SIMULINK

3 Principali cause di danneggiamento di un pneumatico Foratura Urto violento che rompe una parte della sua struttura Vecchiaia Scoppio pneumatic o Lo studio svolto riguarda questo caso che rappresenta la situazione più imprevedibile e difficile da gestire per un normale guidatore

4 Progetto concettuale: possibili sistemi da abbinare all EESP per migliorare la stabilità e il controllo dell autovettura in caso di foratura Doppio asse anteriore con 4 ruote Pneumatici antiforatura (PAX System) Sistema di sospensioni in grado di sollevare l automobile

5 Realizzazione di un sistema di sicurezza passiva: sospensioni in grado di sollevare l autovettura Sospensioni idroattive Suspension Air Bag Sospensioni attive Sistema di estensione tramite ammortizzatore

6 Schema del Lavoro Modello Matlab/Simulink a parametri concentrati della vettura con EESP e ABS ( Ing. Sarubbi e Ing. Castelli ) Studio sulle varie tipologie di sospensioni e sui possibili sistemi di sollevamento rapido Modifiche al simulatore Matlab/Simulink per simulare il sollevamento delle sospensioni delle 3 ruote non coinvolte nella foratura Validazione del simulatore da me modificato Simulazioni di varie soluzioni possibili con diverse configurazioni Conclusioni La mia Tesi

7 Modello a parametri concentrati non lineari e sistema di riferimento x 1 x 3 O x 2 z 3 θ z 2 y 3 G y 2 (O,x1,x2,x3): Terna inerziale solidale con il terreno (G,y1,y2,y3): Terna solidale con l auto con origine nel baricentro ed assi paralleli alla terna inerziale (G,z1,z2,z3): Terna baricentrica solidale con l auto ed assi coincidenti con gli assi principali d inerzia n: linea dei nodi z 1 φ n linea dei nodi ψ y 1 Modello a 6 G.D.L La configurazione della vettura è individuata dalla posizione di G e dagli angoli di Eulero: ψ: precessione Θ: nutazione Φ: rotazione propria Forze Esterne forza peso azioni aerodinamiche forze di contatto pneumatici-strada Forze Interne coppia motore coppia impianto frenante coppia del pilota sullo sterzo coppie dovute a reazioni vincolari interne

8 mu_trasv_norm mu_long_norm Modellazione dei pneumatici 1.5 σ ω ω r t 1 Slittamento Coefficiente d attrito longitudinale (μ-long) FORZA LONGITUDINALE MASSIMA sigma_norm Curva Forza Slittamento (Look-Up Table) ALGORITMO (in caso di elevato Slittamento Longitudinale µ-trasv = 0.016α ) oppure LEGAME FRA FORZE LONGITUDINALI E TRASVERSALI Approssimazione ellittica F 2 F F F trasv trasv max long long max Angolo di deriva α Coefficiente d attrito trasversale (μ-trasv) FORZA TRASVERSALE MASSIMA -1.5 alfa_norm Curva Forza Trasversale Slittamento (Look-Up Table)

9 T μ α N Modellazione del pneumatico danneggiato T μ α N (Approccio Coulombiano) T = Forza tangenziale di contatto N = Forza verticale gravante sulla ruota μ(α) = Coefficiente d attrito radente α = angolo di deriva trasv La retta d azione di T coincide con la velocità del punto di contatto pneumatico-strada mentre il verso è opposto long μ dipende dall angolo di deriva α e ha andamento ellittico con valori compresi tra (μ-long)forato e μ(trasv) forato Mancanza di dati sperimentali Simulazioni effettuate con (μ-long)forato e μ(trasv)forato variabili fra 0.05 e 1.2 NOTA: Le situazioni più critiche sono risultate quelle con elevato coefficiente d attrito

10 EESP (Enhanced ESP) e ABS I sistemi di controllo basati su logica Fuzzy SENSORI OUTPUT (Momento di imbardata correttivo) -B=-20 B=20 -M=-10 M=10 -S=-3 S=3 INPUT (Errore su β e ψ ) Definizione funzioni membership delle variabili di ingresso -SS=-1 Z=0 SS=1 Definizione funzioni membership della variabile di uscita (costanti) REGOLE (Defuzzyficazione)

11 Modellazione delle sospensioni Ipotesi: Sospensioni dirette ortogonalmente al piano stradale in tutte le condizioni di marcia INTERRUTTORE F ΔL K ΔL ν F 0

12 Schematizzazione del sistema di sollevamento ruote Variabili di simulazione (impostabili tramite l input di Matlab) Relative al suddetto blocco: car_lift_up_delay = Ritardo con cui viene attivato l impianto di sollevamento car_lift_up = Estensione fornita alle sospensioni dal sistema burst_tire_selection = Selezione ruota forata burst_time = Istante scoppio/foratura

13 Sistema di sollevamento dell autovettura Range di valori utilizzati nelle simulazioni: car_lift_up_delay = [ sec] car_lift_up = [ m] burst_tire_selection = [ 1-4 ] Formula empirica che regola la legge di sollevamento LiftUp(t) arctg(10 t) 2 π H Estensione Grafico Alzata-Tempo Allungamento della sospensione Derivata allungamento sospensione (velocità) NOTA: Sono stati effettuati test variando l andamento della curva arcotangenziale.

14 Modalità di simulazione x2 in_r2 in_r1 TRAIETTORIA E VELOCITÀ 1. Rettilineo: Km/h 2. Rettilineo e accostamento: Km/h 3. Curva (R50): Km/h; (R100):75-95 Km/h in_l1 O x1 Acc. trasv. media in curva 4 m/sec² Acc. trasv. media in curva 8 m/sec² NOTE: Nelle varie tipologie di test è stata simulata singolarmente la foratura/scoppio di tutti e 4 i pneumatici Sono state effettuate simulazioni con tutte le possibili combinazioni EESP: ON/OFF - SISTEMA DI SOLLEVAMENTO: ON/OFF

15 Esempio di simulazione Principali variabili di ingresso: Traiettoria (L1,R1,R2,alfacurve) Istante foratura Coefficienti d attrito longitudinali e trasversali del pneumatico danneggiato Posizione del pneumatico forato (ant. destro, ant. sinistro ) Coppia motrice Velocità iniziale (compatibile con la coppia e mantenuta costante almeno fino all istante della foratura) Impostazione interruttori: EESP Sistema Sollevamento Lancio simulazione. Esempio 1: foratura ruota posteriore e accostamento laterale a 100 Km/h Simulazioni R e 09-Accost: L1=100; R1=R2=57,2; α=15,2 μ-long-forato=0,8 ; μ-trasv-forato=0,7 Pneumatico forato: posteriore sinistro Velocità iniziale 27,8 m/sec (100Km/h)

16 Lettura e valutazione delle prestazioni del sistema (tramite Scope ( = oscilloscopi) o files) Esempio 1: foratura ruota posteriore e accostamento laterale a 100 Km/h Principali dati d uscita: Errore di traiettoria (valore medio e istantaneo) Valore dell angolo d assetto (β) Errore sull angolo di assetto rispetto a quello teorico (sterzata cinematica) Velocità di imbardata (ψ ) Errore della velocità di imbardata rispetto a quella teorica EESP: OFF CLUS: ON EESP: OFF CLUS: OFF EESP= Enhanced ESP = Controllo elettronico della stabilità migliorato (Fuzzy) CLUS = Sistema di sollevamento automatico vettura in caso di foratura

17 Esempio 1: foratura ruota posteriore e accostamento laterale a 100 Km/h EESP: OFF CLUS: OFF Valore medio e istantaneo dell errore di traiettoria nel tempo NB I due grafici non sono nella stessa scala! EESP: OFF CLUS: ON EESP= Enhanced ESP = Controllo elettronico della stabilità migliorato (Fuzzy) CLUS = Sistema di sollevamento automatico vettura in caso di foratura

18 Testacoda Esempio 1: foratura ruota posteriore e accostamento laterale a 100 Km/h EESP: OFF CLUS: OFF Valore degli angoli β e ψ nel tempo NB I due grafici non sono nella stessa scala! EESP: OFF CLUS: ON EESP= Enhanced ESP = Controllo elettronico della stabilità migliorato (Fuzzy) CLUS = Sistema di sollevamento automatico vettura in caso di foratura

19 Esempio 1: foratura ruota posteriore e accostamento laterale a 100 Km/h FILMATINO SISTEMA DI SOLLEVAMENTO DISATTIVATO EESP DISATTIVATO

20 Esempio 1: foratura ruota posteriore e accostamento laterale a 100 Km/h SISTEMA DI SOLLEVAMENTO ATTIVATO EESP DISATTIVATO

21 Esempio 2: foratura ruota anteriore in curva a 75 Km/h Simulazione C100-V75-2 e 3: L1=100; R1=R2=100; α=90 μ-long-forato=0,8 ; μ-trasv-forato=0,7 Pneumatico forato: anteriore sinistro Velocità iniziale 21 m/sec (75Km/h) Valore medio (sopra) e istantaneo (sotto) dell errore di traiettoria nel tempo EESP: OFF CLUS: OFF EESP: ON CLUS: OFF EESP: ON CLUS: ON EESP= Enhanced ESP = Controllo elettronico della stabilità migliorato (Fuzzy) CLUS = Sistema di sollevamento automatico vettura in caso di foratura

22 Esempio 2: foratura ruota anteriore in curva a 75 Km/h Altri parametri interessanti nella valutazione dei risultati Coordinate del baricentro della vettura Abbassamento baricentro CLUS OFF Sollevamento baricentro CLUS ON EESP= Enhanced ESP = Controllo elettronico della stabilità migliorato (Fuzzy) CLUS = Sistema di sollevamento automatico vettura in caso di foratura

23 Esempio 2: foratura ruota anteriore in curva a 75 Km/h Velocità orizzontale Escursione delle 4 sospensioni CLUS ON CLUS ON EESP= Enhanced ESP = Controllo elettronico della stabilità migliorato (Fuzzy) CLUS = Sistema di sollevamento automatico vettura in caso di foratura

24 Risultati generali EESP OFF Foratura posteriore: elevato rischio di testacoda e perdita totale di stabilità che aumenta con la velocità e col coefficiente d attrito del pneumatico forato Foratura anteriore: errore di traiettoria che aumenta con la velocità (fino a oltre 20m), specialmente con ruota forata esterna e col diminuire del coef. d attrito. No testacoda. Se velocità bassa la vettura si ferma EESP ON Foratura posteriore: diventa (stando alle simulazioni) una situazione moto meno critica. Si evita il testacoda anche a velocità sostenute, e basso errore di traiettoria. Foratura anteriore: diminuisce l errore di traiettoria. In certi casi rimane un errore di diversi metri fuori dalla traiettoria teorica. CLUS sistema di sollevamento automatico della vettura Foratura posteriore: alle basse velocità, diminuisce l errore di traiettoria e in alcuni casi si riesce ad evitare il testacoda se l EESP è disattivato. Con EESP attivato nessun miglioramento. Foratura anteriore: nei casi in cui si richiede un miglioramento sull errore di traiettoria si ha addirittura un lieve peggioramento.

25 Conclusioni La grande differenza ed il grosso salto di qualità per quanto riguarda la sicurezza in caso di foratura e scoppio di un pneumatico, viene svolto, in base alle simulazioni effettuate, dal sistema EESP. Sarebbero comunque necessari ulteriori test sperimentali per valutare l efficienza e le effettive prestazioni del modello virtuale. Sono poche le situazioni in cui il sistema di sollevamento si rivela effettivamente utile. Esso costituirebbe inoltre un ulteriore costo aggiuntivo. Un caso in cui potrebbe essere utile il suo utilizzo riguarda le autovetture dotate di sistemi di sospensioni pneumatiche (Idroattive Citroën, ABC Mercedes) in cui basterebbe implementare un opportuna logica di controllo in caso di foratura di un pneumatico.

26 FINE

27 IL MODELLO MATEMATICO Vettura Pneumatico Suolo INTERRUTTORE