Differenziali passiviDifferenziali attivi

(1)

Controllo del Differenziale e

Dinamica del Veicolo

(2)

Funzione del differenziale

1) Svincolare cinematicamente tra loro gli alberi condotti 2) Ripartire convenientemente la coppia motrice

Differenziale autobloccante meccanico

(3)

ω1 ω3 ω2

M1

M2

M3

Tipi di differenziale

ω2 M2

ω3 M3 ω1

M1

E-DIFF

Differenziale a una frizione controllata

ω1 M1

ω3 M3

ω2 M2

ω1 M1

ω3 M3

Differenziale libero

Differenziale autobloccante

E-DIFF evoluto

Differenziale a due

Differenziali passivi Differenziali attivi

(4)

Differenziale tradizionale (libero)

Semiasse sinistro

Semiasse destro Albero di

trasmissione

La coppia viene ripartita

equamente sui due semiassi:

2

1

C

S

C

C = =

(5)

Differenziale autobloccante meccanico

Semiasse sinistro

trasmissione

) sgn(

) 2 (

) sgn(

) 2 (

2 1

2

2 1

1

ω ω

− +

=

−

=

S S

C C K

C

C C K

C

La ripartizione di coppia sui due semiassi dipende dalla coppia in ingresso sul differenziale.

Si può trasferire coppia solo dal

semiasse più veloce a quello più

lento.

(6)

Differenziale attivo

Semiasse sinistro

trasmissione

) sgn(

) (

) sgn(

) 2 (

2 1

2

2 1

1

ω ω

− +

=

−

=

I C K

C

I C K

C

S S

La ripartizione di coppia sui due semiassi dipende dalla corrente di controllo del differenziale.

Si può trasferire coppia solo dal semiasse più veloce a quello più lento.

K(I)

(7)

Differenziale attivo evoluto (sterzante)

) sgn(

) ( )

sgn(

) (

) sgn(

) ( )

sgn(

) 2 (

4 2

2 3

1 1

2

4 2

2 3

1 1

1

ω ω

−

− +

=

− +

−

=

I K I

C K C

I K I

C K C

S S

K(I₁) K(I₂)

Albero di trasmissione

Semiasse sinistro Semiasse destro

La ripartizione di coppia sui due semiassi dipende dalle correnti di controllo del differenziale.

Si può trasferire coppia tra i due semiassi quasi indipendentemente rispetto alle loro velocità.

ω

1

ω

₂

(8)

Modello POG semplificato di un differenziale

⎥⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ 2 1

2 1

T

⎥⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ 2 1

2 1

s J_w

1

⎥⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡

−1 1

T

⎥⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡

−1

1

∆ ω

) ( ∆ ω

Ksign

w

_D

C

_D

w

_s1

w

_s2

Differenziale ideale

Semiassi e ruote

Dispositivo di ripartizione coppia

Questo modello semplificato permette di simulare:

• Differenziale tradizionale con K=0 ^.

• Differenziale autobloccante meccanico con K=f(C

_D

)

• Differenziale a controllo elettronico con K=f(I)

(9)

Effetti del differenziale sulla dinamica del veicolo

Il differenziale (o i differenziali sulle vetture 4x4) influenzano la dinamica del veicolo secondo i seguenti aspetti:

• Massima accelerazione longitudinale

• Massima accelerazione laterale

• Stabilità

• Guidabilità

La possibilità di controllare elettronicamente il differenziale di una

autovettura permette di modificare il comportamento del veicolo

nelle varie condizioni di marcia.

(10)

Ripartizione dinamica del carico verticale

•

BECCHEGGIO: determina

una variazione del carico N

_z

tra semiassi anteriori e

posteriori. Si ha

prevalentemente in fase di accelerazione e di

decelerazione.

•

ROLLIO:

variazione del carico Nz

tra semiassi destro e

sinistro. Si ha nel moto

curvilineo

(11)

Effetti del carico verticale sul pneumatico

Le forze esercitate dal pneumatico aumentano in modo quasi proporzionale con il carico verticale N

_z

^.

F

_x

F

_y

l

N _z

g z

N _z

(12)

Sfruttamento del carico verticale sul pneumatico

Le forze esercitate dal pneumatico aumentano in modo quasi proporzionale con il carico verticale N

_z

^.

Gli pneumatici con un maggior carico verticale N

_z

possono trasmettere a terra forze maggiori.

Controllando opportunamente la ripartizione di coppia sul/sui differenziale/li si possono massimizzare le

accelerazioni laterali e/o longitudinali.

La ripartizione di coppia sulle 4 ruote influenza anche

la manovrabilità del veicolo (sottosterzo, sovrasterzo)

quindi occorre trovare la miglior ripartizione di coppia

che garantisca sia le prestazioni che la guidabilità.

(13)

Prestazione Longitudinale del Veicolo 4x4 (1)

Sfruttare al meglio l’aderenza stradale: ^N

ⁱ

T

i

A

x

Ti,max = µ Nⁱ

A

^x,max

= T

^max

M

^tot

= µ M

^tot

M

^tot

[g]

⇒ T

^max

= Σ (µN

ⁱ

) = Σ µ (m

ⁱ

g) = µ g Μ

^tot

⇒ A

^x,max = µ [g]

Accelerazione longitudinale [g]

0,5 1,0

0,1 1,0

0,5

0,1

40%ant/60%post

35%ant/65%post

30%ant/70%post

25%ant/75%post

45%ant/55%post

A

^x,max

)

(

) (

0 0

x a

x p

ant post

A N

N

A N

N T

T

δ δ

−

= +

(14)

Prestazione Longitudinale del Veicolo 4x4 (2)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Anteriore Posteriore 4x4 4x4 Diff. Centrale

attivo

Tempo di Accelerazione iso-mu

m = 1 m = 0.6 m = 0.3 µ=1.0 µ=0.6 µ=0.3

Tempo 0-100 km/h (s)

(15)

Azione sterzante del differenziale

Tende a curvare a sinistra

v _G

G

Comportamento neutro

v _G

G

Differenziale tradizionale

C _L C _R

C _R =C _L

Distribuzione di coppia asimmetrica

C >C

C _R C _L

Lo sbilanciamento della coppia sulle ruote motrici causa

un momento sterzante sul veicolo.

(16)

Prestazione Laterale del Veicolo 4x4 Obiettivo: ottimizzare il momento d’Imbardata.

αc = Tf Tf + Tr

αr = Trl Trl + Trr αf = Tfl

Tfl + Tfr Tfl Tfr

MOTORE Tf

Tr

La ripartizione di coppia sui 3 differenziali influenza la guidabilità.

(17)

Valutazione degli effetti dinamici del differenziale

La possibilità di regolare la ripartizione di coppia fra i semiassi tramite i differenziali controllati permette

di migliorare la guidabilità e la trazione in uscita di curva.

Steering Pad: per comparare le strategie di controllo

sul differenziale si eseguono test su curve a raggio fisso e ad accelerazione longitudinale A

_x

costante.

A

_x

Steering Pad R

(18)

Differenziale Posteriore Tradizionale

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

46,0

10,0 19,0 28,0 37,0

A

_y

[g]

AngolodiSterzo

Steering Pad: Curva di raggio 10 [m] -

A

_x = 0,3 g costante

• Il differenziale tradizionale fornisce sempre la stessa coppia sui due semiassi.

• Non sfrutta il maggior carico sulla ruota esterna per incrementare la trazione.

• Quando la ruota interna (con meno carico e metà coppia) comincia a slittare

(19)

Differenziale Posteriore Tradizionale

Carico verticale sulla ruota esterna

Coppia sulle ruote posteriori

Carico verticale sulla ruota interna

• Il differenziale tradizionale fornisce sempre la stessa coppia sui due semiassi.

• Non sfrutta il maggior carico sulla ruota esterna per incrementare la trazione.

• Quando la ruota interna (con meno carico e metà coppia) comincia a slittare si perde il controllo del veicolo (testacoda).

(20)

Differenziale Posteriore Autobloccante Meccanico

• Il differenziale autobloccante meccanico trasferisce parte della coppia dal semiasse più veloce a quello più lento.

• Nella prima parte della curva (Ay <0.5) si ha più coppia sulla ruota interna e il comportamento è eccessivamente sottosterzante.

• Nella seconda parte della curva (Ay >0.65), quando la ruota interna ruoterebbe più velocemente, si trasferisce più coppia all’esterno migliorando la trazione e

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

46,0

10,0 19,0 28,0 37,0

A

_y

[g]

AngolodiSterzo

A

(21)

Differenziale Posteriore Autobloccante Meccanico

Carico verticale sulla ruota esterna

Carico verticale sulla ruota interna

Coppia sulla ruota esterna Coppia sulla

ruota interna

• Il differenziale autobloccante meccanico trasferisce parte della coppia dal semiasse più veloce a quello più lento.

• Nella prima parte della curva si ha più coppia sulla ruota interna e il comportamento è eccessivamente sottosterzante.

• Nella seconda parte della curva, quando la ruota interna ruoterebbe

più velocemente, si trasferisce più coppia all’esterno migliorando la trazione e la guidabilità.

(22)

Differenziale Posteriore Controllato Elettronicamente

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

46,0

10,0 19,0 28,0 37,0

A

_y

[g]

AngolodiSterzo

A

• Il differenziale controllato elettronicamente trasferisce parte della coppia dal semiasse più veloce a quello più lento.

• Si trasferisce coppia solo quando la ruota interna perde trazione (Ay >0.65).

• Elimina il sottosterzo a inizio curva, incrementa la trazione e mantiene la

(23)

Differenziale Posteriore Controllato Elettronicamente

Carico verticale sulla ruota esterna

Carico verticale sulla ruota interna

Coppia sulla ruota esterna

Coppia sulla ruota interna

• Il differenziale controllato elettronicamente trasferisce parte della coppia dal semiasse più veloce a quello più lento.

• Si trasferisce coppia solo quando la ruota interna perde trazione (t=2.4s).

• Elimina il sottosterzo a inizio curva, incrementa la trazione e mantiene la guidabilità nelle condizioni limite.

(24)

Differenziale Posteriore Elettronico Evoluto

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

46,0

10,0 19,0 28,0 37,0

A

_y

[g]

AngolodiSterzo

A

• Il differenziale elettronico evoluto può trasferire coppia fra i semiassi indipendentemente rispetto alla loro velocità.

• Migliora la guidabilità anche in condizioni non estreme.

(25)

Differenziale Posteriore Elettronico Evoluto

Carico verticale sulla ruota esterna

Carico verticale sulla ruota interna

Coppia sulla ruota esterna

Coppia ruota interna

• Il differenziale elettronico evoluto può trasferire coppia fra i semiassi indipendentemente rispetto alla loro velocità.

• Migliora la guidabilità anche in condizioni non estreme.

• Incrementa la trazione e mantiene la guidabilità nelle condizioni limite.

(26)

Strategia di Controllo di Base del Differenziale Elettronico

I problemi di stabilità con il differenziale tradizionale insorgono quando la ruota all’interno della curva comincia a slittare.

IL differenziale elettronico a una frizione può trasferire coppia solo dal semiasse più veloce a quello più lento.

La strategia più semplice per le accelerazioni in uscita di curva (come per lo steering pad) consiste nell’azionare il differenziale cercando di limitare la velocità della ruota interna a valori prossimi alla velocità della ruota esterna.

La coppia di bloccaggio K imposta al differenziale si può quindi definire, nel caso più semplice, come proporziomale alla differenza di velocità:

⎩ ⎨

⎧

>

−

= ≤

se

K 0

esterna ruota

interna ruota

esterna ruota

interna ruota

esterna ruota

interna ruota

ω ω

γ

ω ω

) (

Con questa semplice strategia si trasferisce automaticamente più coppia

motrice sulla ruota esterna a mano a mano che la ruota interna perde aderenza Questa semplice strategia migliora la stabilità del veicolo in uscita di curva,

(27)

Strategia di Controllo del Differenziale Elettronico

La strategia di controllo deve considerare le diverse sitazioni di assetto del veicolo, le condizioni più importanti sono:

• power off: rilascio dell’acceleratore in ingresso curva.

• power on steady: uscita di curva ad accelerazione costante.

• power on transitorio: uscita di curva ad accelerazione crescente.

Le variabili utilizzate per la definizione della strategia di controllo del differenziale sono:

• Ay: accelerazione laterale

• Vx: velocità longitudinale

• Coppia entrante nel differenziale

• Velocità delle ruote

• Posizione pedale dell’acceleratore