Banco prova per sistemi Brake by Wire

BANCO PROVA PER SISTEMA BRAKE BY WIRE
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INTRODUZIONE
I progressi compiuti alla fine del XX secolo in campo
automobilistico sono stati notevoli, soprattutto in fatto di
incremento di sicurezza, diminuzione di consumi ed aumento
dell'affidabilità.
Questo si traduce in un maggior intervallo di revisione del
veicolo ed in un ridotto numero di componenti da sostituire.
Malgrado questi progressi rimangono ancora alcuni elementi da
esaminare e sostituire periodicamente per mantenere elevati
livelli di sicurezza ed affidabilità del sistema; tutti gli
elementi infatti sono soggetti ad usura, per la funzione di
attrito, come avviene nei tergicristalli, cinghie, dischi e
pastiglie.
Il controllo dell'impianto frenante, ad esempio, deve essere
eseguito in occasione di ogni revisione, con sostituzione dei
componenti usurati o deteriorati; la manutenzione
dell'impianto frenante avviene in occasione di una revisione
generale o quando viene riscontrato un problema.
Occorre in tal caso consultare gli schemi per la ricerca
delle cause, che riguardano il sistema frenante, le pastiglie
ed i dischi.
Un importante filone di studio applicativo è legato
all’utilizzo di parti elettriche in sostituzione di parti
meccaniche nell’autovettura.
Brake by wire (BBW) per l’autoveicolo
Il freno elettrico appare un argomento particolarmente
interessante, in quanto coinvolge sia aspetti meccanici che
elettronici.
Per condurre uno studio di fattibilità è stata condotta una
estesa ricerca bibliografica sui modelli e le tecniche di
rappresentazione dei cinematismi del freno.
Dopo lo studio di fattibilità si è passati alla realizzazione
pratica ed alla messa a punto.
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La movimentazione di un sistema by-wire deve avvenire tramite
motori elettrici, lineari o rotativi, e necessita di una
complessa controllisitica.
Il progetto di massima si sviluppa a partire dal calcolo
della forza massima di frenata, che, una volta determinata,
permette il dimensionamento elettromeccanico del motore e del
meccanismo di azionamento, che deve assicurare la sensibilità
nella modulazione della forza.
La vettura del futuro sarà intelligente, con una semplificata
interfaccia macchina/utente, che garantirà maggior comfort e
sicurezza per il guidatore, il quale sarà agevolato da una
serie di funzioni elettroniche.
La sicurezza infatti non è un optional ma un must, ecco
perché il principio del controllo elettronico di frenatura
sarà esteso ad altre funzioni.
I sistemi di frenatura sofisticati e dal rapido controllo
offerti dalla tecnologia by-wire saranno il futuro.
Il brake by wire, ad esempio, permetterà di frenare
indipendentemente su ogni ruota, tramite un attuatore
elettromeccanico integrato nella pinza freno.
Dal pedale una centralina gestirà i segnali da inviare alle
quattro utenze; in questo modo la frenata sarà più efficace.
Dal punto di vista della tecnologia, le industrie
automobilistiche oggi sono più orientate verso fattori
strategici quali l'ambiente.
Le legislazioni di carattere ambientale imporranno norme
sempre più restrittive per quanto riguarda il riciclaggio e
la riduzione al minimo dei materiali.
Anche se per un singolo veicolo il volume del liquido di
frenatura è irrisorio, per il costruttore rappresenta una
entità non riciclabile di grande importanza.
Un altro aspetto del sistema by-wire riguarda la flessibilità
di installazione, visto che la configurazione del veicolo ed
il suo assemblaggio in officina sono influenzati anche dalla
disposizione dei meccanismi di frenatura.
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I nuovi sistemi elettronici, in questo senso, offrono una
maggiore libertà progettuale al costruttore per quanto
riguarda sia le procedure di assemblaggio, sia gli
accorgimenti per garantire comfort ai passeggeri.
E’ chiaro che all'interno di queste linee guida di sviluppo,
le tecnologie dovranno proporre soluzioni che assicurino
massime prestazioni con massimo rendimento, e, nell'industria
automobilistica, la tecnica di controllo by-wire appare molto
promettente.
C'è infine un aspetto di mercato; la nuova business unit sarà
un’ unità indipendente che si occuperà di autoveicoli
industriali e tutto il business by-wire sarà in autonomia,
esplorando nuovi ambiti.
L'anima del by-wire sono meccanismi a sé stanti azionati da
motori elettrici che convertono il moto rotatorio in una
azione lineare.
L'unità di attuazione elettromeccanica conterrà cuscinetti,
guarnizioni, viti di ricircolo a sfere o a rulli, motori
elettrici e parti elettroniche.
L'intenzione è quella di fornire ai costruttori di
autoveicoli il sistema completo composto dal pedale
elettronico, dalla centralina e dalle pinze.
Il by-wire unisce le conoscenze sviluppate nel corso degli
anni sui sistemi di frenatura alla volontà di portare sul
mercato un’ innovazione.
L'integrazione di appropriati sistemi di sensori è essenziale
per il controllo di precisione e sfrutta l'esperienza
acquisita nei sensori integrati nei cuscinetti per mozzi
ruota per l'ABS e nei sensori per cuscinetti radiali a sfere.
Ai guidatori, quindi, rimarrà il piacere di guidare una
vettura intelligente.
Alla luce delle problematiche messe in evidenza, si procede
ora ad analizzare una serie di soluzioni possibili per un
sistema brake-by-wire.
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Per sua natura il progetto di un tale sistema non può
prescindere da conoscenze di tipo elettrico ed elettronico.
La movimentazione di un sistema by-wire, come già accennato,
non può che avvenire tramite motori elettrici, lineari o
rotativi, e necessita di una controllistica tutt'altro che
banale.
Per questo, verranno affrontati principalmente i problemi di
natura più spiccatamente meccanica, evidenziando le
necessarie sinergie con altre discipline e fornendo quanti
più dati possibili per la scelta dei motori elettrici
necessari al progetto.
Nella prima fase sarà necessario ottimizzare il rapporto tra
il peso del motore e quello della parte meccanica (od
idraulica) di riduzione e trasformazione del moto al fine di
rendere il sistema il più equilibrato possibile.
Tutto ciò dovrà tenere conto di limiti di peso e di ingombro
sia delle masse sospese che di quelle non sospese.
In seconda analisi si dovrà effettuare la verifica del
sistema in funzione della dinamiche di funzionamento, delle
inerzie e delle tempistiche di attuazione dei comandi.
Altro problema da affrontare in un progetto di tale natura è
quello della sicurezza, ed in proiezione di una sua futura
commercializzazione, quello del livello della sicurezza
percepibile dall'acquirente.
I1 calcolo dei costi per la realizzazione di un BBW dovrà
essere considerato solo in ultima analisi, nel momento in cui
saranno chiari tutti i vantaggi di questa nuova tecnologia.
Per procedere alla scelta di un attuatore di frenata per un
sistema brake-by-wire è necessario fin da subito chiarire
quali sono le specifiche di progetto entro le quali è
consentito muoversi.
Verrà considerato, per cominciare, che il sistema non sia
applicato a nessun mezzo specifico, ma che possa essere
adattabile ad un qualsivoglia automezzo; questa generalità
nella concezione iniziale consentirà all'attuatore di avere
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un maggiore campo di applicazioni, su di un ventaglio
maggiore di autoveicoli.
Qui di seguito saranno elencate tutte le caratteristiche che
prescindono dal modulo della forza di frenata massima
necessaria.
Gli aspetti di cui si deve tenere conto sono:
• Monitoraggio della temperatura: durante l'esercizio, la
pastiglia e il disco dei freni raggiungono temperature di
diverse centinaia di gradi; alte temperature o grandi
variazioni termiche possono compromettere il funzionamento
del motore elettrico e degli altri componenti
dell'attuatore
In fase di progetto si deve tener conto della necessità di
dissipare calore o comunque di isolare correttamente il
motore
• Recupero dei giochi: è necessario predisporre un recupero
automatico dei giochi prodotti dall'usura delle pastiglie
dei freni (circa 15 mm) e dalla deformazione della pinza
Scopo della tesi e metodologia
Lo scopo è la descrizione ed il collaudo di un banco di prova
per la frenatura by-wire.
Tale banco prova è composto dalle seguenti parti, che
verranno successivamente descritte in modo dettagliato:
• motore elettrico trifase, raffreddato ad aria forzata, e
completo di telaio
• inverter di comando del motore, raffreddato ad acqua,
dotato di scheda di controllo programmabile con CPLD XLINX
• pinza freno BBW dotata di interfaccia con l’ambiente DSPACE
• sistema di supervisione e controllo DSPACE CONTROL DESK,
completo di CONTROLLER BOARD ed interfacciato a sua volta
con l’ambiente MATLAB, nel quale sono implementati i
modelli SIMULINK dei blocchi di controllo, programmabili in
linguaggio C++
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Si è infine utilizzato il programma PSPICE per la stesura di
schemi elettrici ed il programma AUTOCAD per il disegno delle
parti meccaniche.
Prima di procedere alla descrizione delle singole parti che
compongono il banco, viene ora descritto l’obiettivo da
realizzare.
Si tratta, infatti, grazie al banco prova ora citato, di
porre in rotazione, tramite il motore elettrico, un disco
freno di una autovettura, e di applicare una forza di
frenatura su tale disco per mezzo di un attuatore
elettromeccanico (al contrario di come accade sulla vettura,
dove la frenata avviene tramite comando oleodinamico).
Si è scelto un disco freno appartenente ad un semiasse della
FIAT MAREA.
Tutto questo processo di frenatura deve essere supervisionato
dal sistema DSPACE.
E’ opportuno sottolineare che, per raggiungere l’obiettivo
ora citato, si deve innanzitutto risolvere il grosso problema
di fissare il disco freno all’albero del motore.
Ciò’ sembra una banalità, ma richiede la progettazione e la
realizzazione di una o più staffe e giunti per supportare sia
il disco stesso sia il mozzo a cui tale disco è fissato
tramite un cuscinetto.
Tali elementi, inoltre, devono essere dimensionati in modo da
essere agevolmente montati (ed eventualmente smontati) sul
telaio del motore, e devono inoltre garantire un perfetto
allineamento tra albero motore e disco freno, permettendo
(magari tramite apposite asole) un minimo di regolabilità.
Infine, le suddette parti devono sopportare una elevata
coppia frenante che agisce sul disco, senza per questo
deformarsi.
Sono inizialmente state pensate diverse soluzioni e tecniche
costruttive, prima di giungere al progetto finale.
Poi si è passato ad analizzate l’ambiente DSPACE, modificando
e creando delle schermate interattive allo scopo di
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visualizzare e controllare le principali grandezze di
interesse.
Per fare questo non si è potuto prescindere dal costruire e
modificare anche i modelli dei controllo in ambiente
MATLAB/SIMULINK, anche agendo sul codice di programmazione
C++.
Dopo le prime prove, inoltre si è dovuto costruire un
circuito di gamba freno a supporto dell’inverter stesso e si
sono dovuti risolvere svariati problemi, quali ad esempio
l’eliminazione di FAULT dovuti a disturbi di tipo
elettromagnetico, agendo direttamente sul codice VHDL
presente nella CPLD della scheda di controllo dell’inverter.
Infine si è dovuto provvedere ad un sistema di raffreddamento
ad acqua per quanto riguarda l’inverter ed ad aria forzata
per quanto riguarda il motore.