működtetésének mechatronikája
6. Aktív kerékfelfüggesztés
6.2. Citroën hidraktív kerékfelfüggesztés
A hidro-pneumatikus kerékfelfüggesztés elválaszthatatlan a Citroën műszaki hagyományaitól. 1989-ben szereltek először az XM típusba a „hidraktív” futóműveket. 1993-ban a Xantiába már a második generációs változatot alkalmazták. 1994 őszén mutatták be a Párizsi Autószalonon a Citroën Xantia Activa automatikus futómű stabilizáló rendszerét, melyet a szakirodalom AFS rövidítéssel nevezett el. Ez a német elnevezésből ered (Automatischen Fahrwerk Stabilisierung). Az új AFS rendszert kombinálták a Citroën XM -nél és a Xantiánál már jól bevált hidraktív kerékfelfüggesztéssel.
Hamarosan követte ezt a C5-ben alkalmazott harmadik generáció. Ezeknél a gépkocsiknál a rugó-, és a lengéscsillapító karakterisztika változtatása, valamint a szintszabályozás a hidraulika rendszer segítségével valósul meg. Az aktív erőkifejtére alkalmas elem a stabilizátor. A Hidraktív 3 ++ változatot már ESP működéssel is ellátták.
3.32. ábra - Citroën C5 a hidraktív kerék-felfüggesztés, harmadik generációja.
A rugómerevség a terhelés növekedésével négyzetesen arányos
ahol:
C(z) rugómerevség a berugózási út (z) függvényében
A a dugattyú felülete
n politrópikus kitevő
p(z) berugózáskor a nyomás
h rugóhossz a munkapontban
p 1 belső nyomás a munkapontban
Az alkalmazott hidropneumatika előnye, az hogy a szintszabályozáson kívül a hidraulikus csillapítás is több fokozatban valósulhat meg.
3.33. ábra - A Hidraktív kerékfelfüggesztésnél alkalmazott központi nyomástároló és az
első futómű kiegészítő gázrugója továbbá az aktív stabilizátor nyomástárolója az elő
futómű alatt elhelyezve.
A hidraktív kerékfelfüggesztés alkalmazásának célja:
• A kerék kövesse az útprofilt anélkül, hogy a kocsiszekrénynek nagy lökéseket adna át.
• Ne szakadjon meg a kerék és az útfelület közötti kapcsolat.
• Az utastérnek átadódó rezgések és lengések minél jobban csillapítottak legyenek.
A kerékfelfüggesztés műszaki jellemzőit a rugó és a lengéscsillapító kombinációja befolyásolja. Alapvetően meghatározzák például a futómű önlengésszámát. Az elektronikusan szabályozott aktív hidro-pneumatikus kerékfelfüggesztést röviden hidraktív futóműnek nevezik.
A hidraktív rendszer érzékelői Kormánykerék elfordítás érzékelő
A Valeo gyártmányú kompakt kormánykerék elfordítás érzékelő egység. Az opto-elektronikus jeladót a kormánykerék tengelyére szerelik. Ennek belsejében a kormánykerékkel együtt 28 nyílással ellátott tárcsa fordul el. A mozgás irányról, a szögsebességéről és az elfordítási szöghelyzetről ad információt az elektronikának.
A két opto-elektronikus érzékelő egymáshoz képest 90°-kal, és egy fél nyílásnyival van elhelyezve. Az 5 V-os tápfeszültség hatására „ablakonként” egy impulzus keletkezik. A két érzékelő egymáshoz viszonyított helyzete teszi lehetővé, hogy az elektronika az ehhez kifejlesztett algoritmus segítségével képes legyen megállapítani, hogy melyik irányban fordították el a kormánykereket. További fontos információ az elfordítás mértéke és szögsebessége. Ezeket az elektronika állapítja meg és értékeli ki.
Gázpedál elmozdulás érzékelő
A Valeo gyártmányú potenciométerrel ellátott érzékelő rudazattal kapcsolódik a gázpedálhoz. Működéséhez az elektronika adja az 5 V-os tápfeszültséget. A pedál elmozdításával arányosan változik az ellenállása és ennek megfelelően a kimeneti feszültség. A működés szempontjából fontos információ a pedál lenyomásának, illetve a visszaengedésének a gyorsasága is.
Az elektronika azt érzékeli, hogy mennyi idő szükséges a gázpedál teljes elmozdulásának 10%-ához. Mielőtt még a menetdinamikai változás hatására a kocsiszekrény helyzete megváltozna az elektronikának lehetősége lesz a ezt megelőző beavatkozás megvalósítására, (például a csillapítási tényező keményebbre állítása).
Fékező nyomás érzékelő
A Bendix gyártmányú érzékelőt az első fékkörhöz csatlakoztatják. Fékoldáskor és kis pedálerőnél zárt az áramkör. 30 bar-nál nagyobb nyomás esetén pedig nyit. Egy előre meghatározott nyomásküszöb felett keményebb rugózási fokozatot állít be az elektronika.
Kocsiszekrény elmozdulás érzékelő
Az első futómű kereszt-stabilizátorára szerelik, mely annak elfordulását optikai úton érzékeli. Ez arányos a felépítmény elmozdulásával és annak sebességével. Ki- és be-rugózáskor például, ha a lengés amplitúdója egy bizonyos küszöböt átlép, keményebb csillapítási fokozatot állít be.
Működési elve azonos a kormánykerék elfordítás érzékelőével, tehát ez is egy opto-elektronikus változat. Ez azonban 12 V tápfeszültséggel működik és több, azaz 45 db ablakkal látják el az érzékelő tárcsáját. Az elektronika ennek az érzékelőnek a jele alapján határozza meg a felépítmény elmozdulásának irányát, sebességét és mértékét. Átkapcsolás keményebb fokozatra akkor következik be, ha a karosszéria elmozdulásának amplitúdója egy bizonyos értéknél nagyobb. prioritást, másrészt pedig sebességfüggést kaphatnak. A gépkocsi kis sebességénél például az elsődleges beavatkozási jelet a kocsiszekrény elmozdulás érzékelője, nagy járműsebességnél viszont a kormánykerék elfordulás érzékelője adja a beavatkozáshoz szükséges alapinformációt. Ezt az érzékelőt az újabb gépkocsi típusoknál már a CAN hálózaton keresztül érkező ABS kerékfordulatszám érzékelők jelei helyettesítik.
Ajtó és csomagtartó fedél nyitásérzékelő
Ha valamelyik ajtót kinyitották, az elektronika a futóművet lágy rugózásra kapcsolja. Ezzel megakadályozható, hogy terhelésváltozás után a gyújtáskulcsot elfordítva ne következzen be hirtelen felépítmény elmozdulás. Ha az ajtó nyitva marad, az elektromágneses szelep vezérlése 10 perc elteltével lekapcsol.
A hidraulika rendszer
A hagyományos hidro-pneumatikus rendszerhez hasonló egységek:
• gázrugók
• lengéscsillapító szelepek
• A szintszabályzó szelep, melyet a stabilizátor közepére felszerelt rudazat működtet. A terhelés függvényében ez szabályozza a lengéscsillapítókban a nyomást.
A nagynyomású csövek keresztmetszetét az alap rendszerhez képest jelentősen megnövelték. Ez alapján ismerhető fel a Hydractive felfüggesztés, ha nyitva van a motorháztető.
Kiegészítető egységek:
Futóművenként egy kiegészítő gázrugót és lengéscsillapító szelepet szerelnek be. Ez kiegészül még az elektromágnessel működtetett tolattyús átkapcsoló szeleppel, mellyel az elektronika a rugózási és a csillapítási fokozatokat tudja beállítani.
Az alkalmazott rugózási és csillapítási és fokozatok:
Keményebb rugózási fokozat
Az elektromágneses szelep nyugalmi helyzetben van, mert árammentes. Ez az alaphelyzet, így elektromos hiba esetén ezzel a kevésbé kényelmes, de biztonságos fokozattal lehet autózni. A tolattyúk leválasztják a rendszerről a középső kiegészítő gázrugó elemeket és lengéscsillapító szelepeket. Optimális útfekvés, rövid rugóút, keményebb csillapítás jellemzi ezt az állapotot. Kanyarban kisebb lesz a kocsiszekrény dőlése, mert a bal- és a jobboldali rugók és lengéscsillapítók hidraulikus terei egymástól elválasztódnak. Fékezéskor és gyorsításkor a rugózási és csillapítási paraméterek ilyen beállítása mellett csökken a kocsiszekrény bólintása.
Lágyabb rugózás, komfort fokozat
Ha az útviszonyok és a vezetési stílus lehetővé teszi, az elektronika bekapcsolja az elektromágneses szelepet. A beépített rugó ellenében a tolattyú ennek hatására elmozdul és futóművenként egy-egy gázrugót és lengéscsillapító szelepet hozzákapcsol a futómű hidraulikus rendszeréhez. Ezért nagyobb lesz a gázrugó térfogata, így lágyabb lesz a rugózás. A lengéscsillapító szelepekkel párhuzamosan még egy-egy bekapcsolódik, ezért növekszik az átáramlási keresztmetszet és a csillapítás lágyabbra változik. A jobb-, és bal oldali kerékfelfüggesztések hidraulika terei egymással összekapcsolódnak. Hosszabb rugóút és kisebb csillapítás jellemzi ezt az állapotot.
Kapcsoló a műszerfalon
A gépkocsivezető sport, és automatikus működés között választhat ezzel a kapcsolóval. A sport fokozatban az elektromágneses szelep alaphelyzetben marad. Ekkor a rugózás és a csillapítás kemény lesz. Automatikus fokozatban az elektromágneses szelep gerjesztést kap, és így lágy rugókarakterisztikára és kis csillapításra kapcsol. Ha menet közben a menetdinamikai körülmények megváltozása miatt az érzékelők jelei alapján az elektronika a tárolt jellegmezőkkel történő összehasonlítás alapján szükségesnek ítéli meg automatikusan átkapcsol kemény fokozatra.
Menetdinamikai jellemzők
A széria gépkocsikkal általában 0,9 g keresztirányú gyorsulással szoktak kanyarodni. A Cirtroën Xantia Activa -val gond nélkül elérhető az 1,2 g kereszt irányú gyorsulás is, miközben a kocsiszekrény csupán 1,5°-ot dől meg.
Sportos vezetés esetén, a fizikai lehetőségek határán autózva, az elektronikus rendszer érzékeli a veszélyhelyzetet és a kocsiszekrényt néhányszor keresztirányban megbillentve figyelmeztet.
A hidraktív kerékfelfüggesztés és a vele megvalósított szintszabályzás, a menetbiztonság és a kényelmes utazás közötti kompromisszumot hatásosan alakítja ki. Az alkalmazott aktív stabilizátor, a futóművenként beszerelt kettős működésű hidraulikus munkahengerekkel változtatja a torziós rúd nyomatékát. Ezzel megakadályozza a kocsiszekrény bólintó és billenő mozgását.
3.34. ábra - A Hidraktív kerékfelfüggesztés az egyik futóműnél kemény fokozatban megrajzolva.
1.-futómű elektronika, 14.-szintállító szelep, 19.-kiegészítő elektromágneses szelep egység, 25.-lengéscsillapító szelep, 26.-szintszabályozás csatlakozása, 27.-kiegészítő gázrugó.
A hidraulikaszivattyú
A hidraktív futómű működéshez szükséges energiát több fokozatú radiál-dugattyús hidraulikaszivattyú biztosítja. (korábban támolygó tárcsás axiál-dugattyús változatot alkalmaztak). A szivattyú hajtása ékszíjjal a motor főtengelyéről történt. A dugattyúkat excenter mozgatja.
Ennél a gépkocsinál a kerékfelfüggesztésnek, a szervokormánynak, és a fékrendszernek közös hidraulika rendszere van. A biztonság érdekében az egyik, hat szivattyúelemből álló fokozat a szervokormányt látja el tápnyomással a másik, két szivattyúelemből álló fokozat pedig a fékrendszert és a kerékfelfüggesztést működteti.
Az újabb C5 típusnál villanymotorral hajtott támolygó tárcsás 5 elemből összeállított axiál-dugattyús szivattyút alkalmaznak. Változott a hidraulika folyadék is. Újabban LDS (Liquide Direction Suspension), narancssárga színű és teljesen szintetikus anyagot alkalmaznak. A korábbi neonzöld színű LHM 3, illetve LHM 3 PLUS helyett.
3.35. ábra - A Citroën C5 hidraulika tápegység
1.-elektonika, 2.-hidraulikus szelepek, 6.-szívó cső, 11.-elektromos csatlakozó, 12.-villanymotor elektromos csatlakozó, 13.-villanymotor vezérlő relé csatlakozója, 14.-villanymotor.
3.36. ábra - A Citroën C5 hidraulika szivattyúja és a gáztöltésű nyomástároló.
4.-nyomástároló, 5.-biztonsági szelep, 6.-szívó cső, 7.-hajtó tengely, 8.-szivattyú elem, 9.-nyomó szelep, 9 gáz töltet.
Központi nyomásszabályzó és tároló egység
A rugó ellenében elmozduló tolattyúval működő nyomásszabályzó egység lekapcsolási nyomása 170 bar, a bekapcsolási nyomás pedig 145 bar. A 400 cm3-es gömb alakú nyomástároló 62 bar táranyomású nitrogénnel van feltöltve. A gáz töltettől gumimembrán választja el a hidraulika folyadékot. Ugyan olyan belső kialakítású gömböt alkalmaznak a nyomástárolási és a rugózási feladat ellátására. A gázrugó gömbök nyak részébe szerelik be a lengéscsillapító szelepeket. A nyomástárolónál viszont ez a szelep hiányzik.
3.37. ábra - Az hidraulika rendszer LHM 3 hidraulikafolyadék tartálya a motortérben, mellette a bal első lengéscsillapítóra szerelt gázrugó gömb.
Rugók és működtető elemei
Mindegyik lengéscsillapítóhoz a korábbiaknál nagyobb átmérőjű csővel egy gömb alakú rugóelem csatlakozik.
Ennek szerkezete hasonlít a központi nyomástárolóéhoz, azonban a nyak részbe beépítik a lengéscsillapító szelepet is. Ezen kívül futóművenként egy újabb kiegészítő gázrugót csatlakoztatnak, melybe két újabb csillapító szelepet szerelnek. Ezeket az elektronika elektromágneses szelepekkel működtetett három csövet összekötő tolattyúk segítségével szabályozza. Hozzá, vagy lekapcsolja a rugóelemekhez. A bal- és a jobboldali rugóelemeket egymástól hidraulikusan elkülöníthetők, illetve összekapcsolhatók. A jobb és baloldali kerékfelfüggesztés egymással hidraulikusan kapcsolatba van a gépkocsi használatának 80%-ában. Az elválasztás akkor szűnik meg, amikor a szintszabályzás beavatkozik. Fékezéskor és gyorsításkor a rugózási és a csillapítási paraméterek megváltozásának köszönhetően csökken a kocsiszekrény bólintása. A gépkocsi használata során az út 15%-át ilyen körülmények között teszik meg. Lágy rugózást, vagyis komfort fokozatot kapcsol az elektronika, ha az útviszonyok és a vezetési stílus ezt lehetővé teszi.
„Leülés”- gátló
A hidropneumatikus felfüggesztés korábbi változatainál a gépkocsi leállítása után, amikor megszűnik a folyamatos nyomás ellátás, a hátsó futóműnél előbb, az elsőnél később lecsökken a has-magasság. Ezt akadályozza meg S.C./M.A.C. (Systeme Citroën / De Maintien en Assiette Constante) magyarul nyomástartó rendszer állandó szabad has-magassághoz. Elkülöníti a rugózást a hidraulikarendszer többi elemétől, ha annak nyomása kisebb lesz, mint ami a kerékfelfüggesztésnél van. Járó motornál, amikor a hidraulikarendszer nyomása nagyobb, mint a szelep nyitónyomása, a rugóelemek ismét kapcsolatba kerülnek a szintszabályzó szeleppel. A motor leállítása után, amikor lecsökken a rendszernyomás a szelep bezár. Ekkor a rugóelemek összeköttetése megszűnik a hidraulikarendszerrel. A felépítmény szintmagassága ezért nem csökken.
3.38. ábra - A hátsó futómű gázrugói és a kiegészítő rugó, továbbá az aktív stabilizátor
és a leülés gátló nyomástárolói. A lengéscsillapító vízszintes beépítésű.
Az elektronika
A francia Valeo gyártmányú elektronikát alumínium dobozba szerelik. 2 db 15 pólusú elektromos csatlakozóval kapcsolódik az elektromos hálózathoz. Áramfelvétele csukott ajtók és a csomagtartó esetén 2 mA. Azonban amikor valami nyitva van 100 mA. Menet közben a mikroprocesszor folyamatosan összehasonlítja az érzékelők jelét a memóriában tárol jellegmezőkkel. Eltérés észlelése esetén a végfokozaton keresztül beavatkozó jelet továbbít az elektromágneses szelepekhez. Ezzel megváltoztatja a felfüggesztés paramétereit. Az elektronikát ellátták öndiagnosztikai-, és hibakód tároló áramkörrel is. Az elektromos rendszer bizonyos hibái esetén átkapcsol az úgynevezett szükség működésre.
A működéséhez a tápfeszültséget a gyújtás bekapcsolása után kapja meg, de memóriája folyamatosan tárolja a jellegmezőket, melyekkel a mikroprocesszor folyamatosan összehasonlítja a futómű rendszer érzékelőinek jeleit. Ez alapján tudja megállapítani, hogy mikor kell változtatni a felfüggesztés paraméterein. A végfokozaton keresztül 0,05 másodpercen belül adja ki a beavatkozási parancsokat, melyekkel működteti a különböző elektromágneses szelepeket.
A rugózás előválasztó kapcsoló
A kézifékkar mellett elhelyezett kapcsolóval két futómű állapot közül választhat a gépkocsivezető. A tényleges kapcsolást az elektronika végzi, bizonyos feltételek teljesülése esetén. Sport fokozatban a rugózás és a csillapítás kemény, ekkor világít a visszajelző lámpa. Normál fokozatban lágy rugókarakterisztikára és kis csillapítás valósul meg.
Sport fokozat visszajelző
A műszerfalon elhelyezett ellenőrzőlámpa sport fokozatban folyamatosan világít. Hibátlan rendszer esetén a gyújtás bekapcsolásakor néhány másodpercre felvillan, meghibásodáskor azonban folyamatosan villog.
Aktív futómű stabilizátor
A Citroën 1995-ben mutatta be a Xantia Activa modellben az aktív stabilizátort (AFS). Ívmenetben a gépkocsi tömegközéppontjában ható centrifugális erő billenti a kocsiszekrényt. Ez annál jelentősebb, minél nagyobb a sebesség, illetve minél kisebb a kanyarodási sugár. Ez a jelenség rontja a menetkényelmet, csökkenti a menetbiztonságot és a korlátozza a megvalósítható vonóerőt is. Az autógyárak konstruktőrei olyan megoldásokat igyekeznek kifejleszteni, melyek csökkentik ezeket a biztonságot is veszélyeztető jelenségeket.
3.39. ábra - Az aktív stabilizátor hidraulika rendszere
1. –elektronika, 9.-nyomástároló, 14.-szintszabályozó szelep, 15.-munkahenger az első futóműnél, 16.
munkahenger a hátsó futóműnél, 20 és 21. működtető szelepegység az elektromágneses szeleppel.
3.40. ábra - Az aktív stabilizátor hidraulikus munkahengere a lengéscsillapító mellett az első futóműnél.
Az AFS rendszer részei:
• érzékelők: gépkocsi sebesség, és kormánykerék szöghelyzet
• elektronika
• mechanikus elemek: stabilizátorok, az első 28 mm, a hátsó 25 mm átmérőjű. A stabilizátor rudazattal és a kettős működésű hidraulikus munkahengerrel csatlakozik a lengéscsillapítóhoz.
• hidraulikus elemek.
Az aktív stabilizátornál két darab kettős működésű hidraulikus munkahengert szerelnek fel átlósan, a bal első és jobb hátsó kerékhez, a lengéscsillapítóval párhuzamosan. Ezek a lengéscsillapító és a stabilizátor egyik vége között létesítenek kapcsolatot. A munkahengerben, amikor a dugattyú szabadon elmozdulhat, a stabilizátor nem visz át nyomatékot. Ez az állapot akkor jön létre, amikor az elektromágneses szelep nyitott és lehetővé teszi a hidraulika folyadék szabad áramlását.
Billenési korrektor, mely a kocsiszekrény oldal irányú billenését érzékeli és a hidraulikus munkahengerekben nyomásnövekedést eredményez az elektromágneses szelep működtetésével.
Az aktív stabilizátor működése:
A kormánykerék elfordítást érzékelővel figyeli az elektronika. Így felismerhető az ívmenet. A másik fontos bemeneti jellemző a gépkocsi sebessége. A beavatkozás két fokozatban történik.
Az első fokozatban lekapcsolás
Az elektronika az AFS gázrugó gömböket kiiktatja a rendszerből. Ezzel gyorsan megnöveli a rugómerevséget.
Elzárja a két hidraulikus munkahenger csőcsatlakozóit, ezért azok merev testként viselkedik, és a stabilizátor megakadályozza a kocsiszekrény dőlését.
A második fázisban aktív beavatkozás:
Az előző fokozatban viszonylag merevvé váló stabilizátorok ellenére kicsit megbillen a kocsiszekrény. Ha a dőlésszög 0,5 -nál nagyobb, melyet az első futómű korrektora érzékel, az elektronika az elektromágneses szelepekkel változtatja az aktív stabilizátor hidraulikus munkahengerének nyomását. Ez úgy történik, hogy a kocsiszekrény billenése ellen hasson. A munkahenger egy aktív csavaró nyomatékot hoz létre a stabilizátornál.