RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

CONTROLLO DI SISTEMI EVOLUTI DI TRASMISSIONE, SOSPENSIONE, STERZATA E FRENATA PER LA GESTIONE DELLA DINAMICA VEICOLO

Università di riferimento

Università degli Studi di BOLOGNA - ELETTRONICA, INFORMATICA E SISTEMISTICA - BOLOGNA(BO)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Carlo ROSSI

Descrizione

Oggigiorno, sono presenti sul mercato sistemi di trasmissione per autovetture e veicoli commerciali leggeri che utilizzano cambi manuali automatizzati, di derivazione dal mondo delle competizioni in cui tali sistemi sono presenti da alcuni anni. L'utilizzo e' dettato dall'obiettivo di fornire funzionalita' paragonabili o addirittura maggiori di quelli caratteristici di un cambio automatico in termini di comfort percepito dall'utente, ed al tempo stesso utilizzare componenti meccanici meno costosi. L'utilizzo di tali sistemi e' in forte crescita sul mercato, sia per i benefici derivanti all'utente in termini di comfort, sia sotto la spinta delle normative internazionali, in particolare le direttive previste sulla riduzione dei consumi. Un cambio meccanico manuale presenta infatti una efficienza maggiore rispetto a quello automatico che puo' essere quantizzata in una differenza di consumi di circa il 5%.
I sistemi attuali sono caratterizzati dal fatto che costituiscono a tutti gli effetti un add-on su un veicolo concepito per una trasmissione con cambio manuale. La servoattuazione della frizione e del cambio comporta delle modifiche sulla interfaccia verso il guidatore, con l'eliminazione del pedale frizione e la trasformazione della leva cambio in un semplice joy-stick, e l'inserimento del meccanismo di attuazione e della relativa elettronica di controllo. Tuttavia, il resto del sistema rimane pressoche' inalterato. In particolare, il sistema controllo motore non tiene conto della presenza della servoattuazione su cambio e frizione. Gli elementi fondamentali per la generazione del moto, e cioe' il motore a combustione interna e la catena di trasmissione, vengono cosi' gestiti in maniera separata, con una connessione blanda tra i due sistemi che si scambiano poche informazioni elementari. Ovviamente tale approccio non consente di ottenere l'ottimo delle prestazioni in termini di consumi, emissioni, comfort e costo complessivo. Un'altra problematica e' data dal crescente utilizzo di sistemi di controllo della dinamica veicolo; tali sistemi richiedono, per poter svolgere al meglio la loro funzionalità, che il controllo della trazione sia realizzato in maniera veloce e precisa. Risulta quindi essenziale che il sistema AMT sia integrato perfettamente nel controllo trazione, integrazione che ad oggi risulta insufficiente. Diviene quindi necessario sviluppare delle strategie di controllo trazione che tengano in conto esplicitamente della presenza di un cambio automatizzato, anche in virtù del fatto che per poter ottenere tutti i vantaggi possibili in termini di riduzione consumi ed emissioni è necessario sviluppare cambi con un elevato numero di rapporti, e che quindi la manovra di cambio marcia diviene potenzialmente molto più frequente che nei sistemi attuali.
Obiettivo principale del progetto dell'unita' operativa e' la definizione sia delle caratteristiche funzionali che il componenti di un cambio automatizzato devono soddisfare per poter ottimizzare le prestazioni del sistema di controllo della trazione in un autoveicolo, la "powertrain", e delle strategie di gestione e dei relativi algoritmi di controllo per un sistema integrato di controllo della powertrain.
Quando analizzato da un punto di vista di sistema powertrain, il cambio manuale automatizzato diviene infatti un attuatore ulteriore per il sistema di controllo, mentre quello tradizionale, essendo pilotato direttamente dal guidatore, risulta essere un disturbo esterno. La disponibilita' di una ulteriore variabile di controllo, la coppia trasmissibile dalla frizione durante le fasi slittamento della frizione stessa, permette di avere il controllo completo dello stato della driveline durante le manovre di cambio marcia e di spunto del veicolo. Durante tali fasi diviene quindi possibile integrare le azioni sulla coppia generata dal motore a combustione e su quella trasmissibile dalla frizione per migliorare sia il comfort percepito dall'utente che le prestazioni dinamiche di cambiata tramite riduzione dei tempi in cui la trazione viene interrotta per permettere il cambio marcia stesso.
E' importante rilevare che la velocizzazione della manovra di cambio marcia fino a renderla quasi non percettibile dagli occupanti del veicolo, e comunque tale da interrompere la trazione per tempi minimi, e' un requisito essenziale per potere ottenere riduzioni consumi ed emissioni considerevoli sul sistema. Infatti, una delle possibilita' di riduzione consumo e' data dalla realizzazione di cambi con un numero elevato di rapporti. A fronte di velocita' veicolo e coppia sul veicolo determinate dalle richieste del guidatore, e' possibile in questo caso scegliere il rapporto di trasmissione ideale che porti il motore a combustione interna a lavorare in una zona di regime e coppia ottimale dal punto di vista dell'efficienza e delle emissioni. In questo caso, il rapporto di cambio deve essere variato molto frequentemente durante il funzionamento, e tale obiettivo risulta perseguibile solo quando la manovra di cambio rapporto sia completamente automatica e non percepibile come un disturbo alla trazione da parte del guidatore.
Nell'ambito di un sistema di trasmissione AMT, il ruolo delle strategie di controllo diviene assolutamente fondamentale; per poter progettare controllori opportuni è necessario tenere conto esplicitamente della natura ibrida del sistema AMT, caratterizzato da diversi stati di funzionamento a seconda delle condizioni di cambio in folle o con un determinato rapporto inserito e dello stato della frizione (accoppiata in scivolamento o aperta). L'esigenza di minimizzare i tempi di cambiata si traduce in questo contesto in un problema di controllo ottimo per sistemi multivariabili ibridi: il presente progetto ha quindi anche un aspetto metodologico rilevante, con possibili ricadute anche al di fuori della singola applicazione considerata.

Per poter perseguire l'obiettivo di fondo del programma, e' necessario passare attraverso obiettivi intermedi, di seguito elencati:
1. Analisi sistema: definizione delle caratteristiche funzionali che un sistema AMT, e quindi i suoi componenti fondamentali servofrizione e cambio servoassistito, devono soddisfare per poter perseguire gli obiettivi generali a livello sistema powertrain;
2. Sistema di attuazione: definizione, dimensionamento e controllo di un sistema di attuazione di caratteristiche adeguate; saranno valutate le prestazioni ottenibili con attuatori idraulici tradizionali, e saranno definiti i possibili interventi sul sistema di attuazione per poter raggiungere le prestazioni richieste. Cio' includera' anche il progetto del sistema di controllo a basso livello per la chiusura degli anelli di retroazione locale di pressione e posizione. Anche a questo livello, il sistema risulta fortemente nonlineare: lo sviluppo di algoritmi di controllo adottera' quindi tecniche nonlineari basate su back-stepping e passività, innovative in questo settore, al fine di aumentare le prestazioni dinamiche e le caratteristiche di robustezza rispetto alle tradizionali tecniche lineari e basate su gain-scheduling.
3. Modellazione: sviluppo di un modello dell'insieme servofrizione e cambio automatizzato, da utilizzare singolarmente o in unione ad un simulatore veicolo al fine di sviluppare e verificare le strategie di controllo sia di basso che di alto livello; sarà derivato inizialmente un modello a scatola bianca a partire dalle relazioni fondamentali della fisica, che permetterà di valutare l'influenza dei vari parametri sul comportamento generale del sistema in oggetto. Per lo studio e la verifica del controllo, sarà successivamente derivato un modello a scatola grigia attraverso tecniche di model-reduction, con parametri derivati sia analiticamente sia attraverso procedure di identificazione nonlineare adattate al sistema in esame.
4. Integrazione: sviluppo di strategie e algoritmi di controllo che gestiscano in maniera ottimizzata sia il motore a combustione interna che la servofrizione ed il cambio. Tale fase vedrà l'applicazione di tecniche di controllo ed ottimizzazione per sistemi ibridi, dettata dalla natura ibrida del sistema di trasmissione. Va rilevato come in questo caso l'impatto di tali tecniche di controllo sia estremamente promettente, dato che la limitazione maggiore nei sistemi attuali è data proprio dalla mancanza di tecniche di controllo adeguate che possano sfruttare appieno le potenzialità offerte dal sistema.
5. Sperimentazione: test in vettura con sistema di prototipazione delle soluzioni sviluppate a livello di controllo del cambio marcia. L'apparato sperimentale sarà messo a disposizione anche delle altre unità operative che lavoreranno su tematiche affini, al fine di ottenere una validazione complessiva dei risultati ottenuti dall'intero gruppo di ricera

Gli obiettivi precedenti corrispondono ad altrettante fasi dello sviluppo progetto secondo lo schema seguente, in cui ad ogni fase sono associati i risultati attesi e gli output:

Analisi sistema
Indagine sulle architetture delle catene di trasmissione di nuova generazione, con particolare riferimento alle tipologie di cambio e frizione ed alle evoluzioni sui sistemi di controllo motore in termini di caratteristiche di erogazione della coppia. Analisi delle potenziali riduzioni di consumo ed emissioni ottenibili con un sistema di controllo powertrain che sfrutti in maniera ottimale un cambio automatizzato.
Definizione delle prestazioni dinamiche che un cambio automatizzato deve garantire in termini di velocita' di cambio marcia, di interruzione trazione, di comfort nelle manovre di cambiata e spunto. Per questo ultimo punto, il comfort sara' valutato sulla base dell'ampiezza delle oscillazioni indotte sull'accelerazione veicolo e su altri parametri quantitivi reperibili in letteratura. Gli output di questa fase saranno le specifiche e gli obiettivi prestazionali per le fasi di sintesi successive.

Attuazione servofrizione e cambio
Analisi e dimensionamento di un sistema di attuazione della servofrizione e del cambio per il raggiungimento delle specifiche date dalla fase precedente: scelta della tipologia e della classe dell'attuatore, dimensionamento della catena cinematica di attuazione, definizione delle possibili modifiche sugli elementi della servofrizione e del cambio. La fase affrontera' prima un dimensionamento di massima basato sulle caratteristiche statiche. Successivamente, si definira' un modello del sistema di attuazione ed il dimensionamento verra' raffinato tenendo conto anche delle dinamiche elettroidrauliche, verificandone i risultati in simulazione e confrontandoli con le prestazioni ottenibili con i sistemi attuali. Contemporaneamente, verranno definiti sia gli algoritmi di controllo che le caratteristiche della piattaforma elettronica, sia di segnale che di potenza, necessarie per la realizzazione del sistema. Infine, si procedera' alla realizzazione di un prototipo sperimentale del sistema di attuazione che verra' testato su un banco di prova opportunamente equipaggiato. Output della fase saranno: a) la procedura di dimensionamento del sistema di attuazione, parametrizzata in funzione delle prestazioni richieste; b) il modello di simulazione per il sistema di attuazione; c) confronto con sistemi esistenti; d) prototipo sperimentale

Modellazione
Definizione di un modello di simulazione complessivo dell'insieme servofrizione più cambio, integrabile con i modelli sviluppati dalle altre unita' operative a livello veicolo: modello del motore endotermico visto come attuatore di coppia, modello del cambio, comprensivo del sistema di selezione e innesto servoattuato e del sincronizzatore. Identificazione del modello complessivo su dati sperimentali, in parte gia' disponibili presso l'unita' operativa ed in parte di prossima realizzazione all'interno delle collaborazioni industriali citate al punto 2.4. Output della fase sara' il modello di simulazione stesso e la procedura di identificazione parametrica


Integrazione
Definizione di strategie di controllo per il sistema powertrain nel suo complesso. Sulla base delle specifiche ottenute nella prima fase, si procedera' alla sintesi di algoritmi di controllo multivariabile in retroazione che ottimizzino le prestazioni del sistema, sia in termini di consumi che di comfort e prestazioni dinamiche. Sulla base di riferimenti opportuni per le variabili di stato/uscita del sistema (velocita' rotazione motore, velocita' rotazione cambio, coppia utile alle ruote) definiti nelle varie condizioni operative di cambio marcia, spunto, marcia normale, verranno definiti gli algoritmi di controllo mediante tecniche ibride multivariabili. Essi saranno successivamente validati in simulazione sul modello reso disponibile dalla fase precedente. Output di questa fase conclusiva saranno gli algoritmi stessi insieme ad una quantificazione dei vantaggi conseguibili.


Sperimentazione
Allestimento di una vettura prototipale con sistema di prototipazione rapida per il controllo della coppia motore, della servofrizione e del cambio servoattuato. Realizzazione ed implementazione degli algoritmi di controllo sviluppati dalla presente unità operativa e dalle altre afferenti al progetto. Realizzazione delle campagne sperimentali per la validazione delle soluzioni proposte e la quantificazione su sistema reale dei vantaggi raggiunti.