Nem mindennapi fejlesztéssel találkoztunk a napokban a veszprémi Pannon Egyetem Járműmechatronika Intézeti Tanszékén. Az egyetem Dr. Fodor Dénes és Speiser Ferenc irányításával a Continental Automotive Hungary Kft. támogatásával blokkolásgátló fékrendszert (ABS) fejleszt kerékpárokhoz. A projekt már évek óta tart, több diplomamunka is íródott belőle és az első tesztelések bizalomra okot adva zajlottak.
A szenzor a felnire illesztett mágnesekkel
Az elmúlt évtizedekben egyre nagyobb hangsúlyt fektettek a járművek aktív és passzív biztonsági rendszereinek fejlesztésére. Nemcsak az autók, hanem a motorkerékpárok, robogók és kerékpárok esetén is rendkívül fontos ezen rendszerek fejlesztése. A legújabb autó és motorkerékpár modellekben már előírás olyan aktív biztonsági rendszerek alkalmazása – például: ABS – melyek használatával számos baleset elkerülhetővé válik [1].
A kerékpár egy sokkal egyszerűbb konstrukció, amelyhez nem kell vezetői engedély, tehát mindenki számára könnyedén elérhető. Ebből kifolyólag az elmúlt években egyre többen választják közlekedési eszközként, melynek hatására több baleset történik az utakon [2,3]. Ezekben a balesetekben szerzett sérülések sok esetben megelőzhetőek lettek volna biztonsági eszközök (bukósisak, könyökvédő, térdvédő) használatával [4].
A féktárcsa lyukai is használhatók jelforrásként a szenzorok számára
Azonban nem csupán az emberek által viselt védőruházat nyújthat megfelelő védelmet, hanem a kerékpárt magát kell egy olyan biztonsági rendszerré tenni, mely egy balesetveszélyes helyzetben megvédi a rajta ülő személyt. Ebből Ennek okán a veszprémi Pannon Egyetem Mérnöki Kara egy olyan projektet indított el, melynek keretében a kerékpár menetdinamikai tulajdonságait vizsgálták [5,6,7,8]. A projektben a tanszéken működő Járműrendszertechnikai Laboratórium munkatársai által sikeresen kifejlesztésre került egy olyan kerékpár prototípus, amely hidraulikus elven működő blokkolásgátló fékrendszert alkalmaz a balesetek elkerülése érdekében.
Prototípus
A blokkolásgátló rendszer működésének teszteléséhez egy, Specialized Stumpjumper FSR Comp kerékpár került kiválasztásra, mely jól kiegyensúlyozott összteleszkópos vázra épül. A teleszkópok keménysége és visszacsillapítása a kerékpáros tömegéhez és a terepviszonyokhoz állítható. A kerékpáron Avid Elixir R SL hidraulikus fékrendszer található.
A blokkolásgátló fékrendszerrel felszerelt prototípus (1. ábra) megvalósításához több eszközre is szükség volt, melyek a kerékpár különböző pontjaira kerültek felszerelésre. A vázon a fékkörökben megjelenő nyomás modulálásához a vázon elhelyezésre került egy hidraulikus és elektronikus vezérlő egység (HECU) illetve az ennek vezérlésére szolgáló kis személyi számítógép (SBC) a csomagtartón kapott helyet. Ebben a dobozban kapott helyet a számítógép energiaforrását biztosító akkumulátor is. A kerékpár hátulján elhelyezkedő tároló doboz első ránézésre hatalmas egységnek látszik, viszont kiemelendő, hogy ez csak a prototípus esetében ilyen nagy. Szükség esetén ez az egység töredékére zsugorítható, így a mérete mellett a tömege is nagymértékben csökkenthető.
A rendszer központi egysége a “csomagtartón” helyezkedik el
Továbbá fontos egy olyan Analóg/Digitális (A/D) átalakító egység alkalmazása is, melynek köszönhetően a fékrendszer különböző nyomásértékeiről kaphatunk információkat. A felsorolt eszközök egy, a járműipariban gyakran alkalmazott, CAN soros kommunikációs protokollon keresztül kommunikálnak egymással. A kerekek sebességét valamint a fékkörökben megjelenő nyomást külön erre a célra kifejlesztett szenzorok mérik.
1. ábra: Kerékpár prototípus
A fenti eszközök megfelelő integrálása és beüzemelése önmagában még nem elegendő ahhoz, hogy megfelelően védeni tudja a kerékpárt vezető személyt. A védelem kialakítása érdekében egy olyan, egyedi ABS vezérlő algoritmus (2. ábra) került kifejlesztésre, mely pusztán a keréksebesség értékek felhasználásával képes döntést hozni arról, hogy a kerék blokkol-e vagy sem.
2. ábra: A szabályozási folyamat részei
Az 2. ábrán látható szabályozási körben elsőként a beérkező sebességjel zajmentesítése történik meg, melyre az algoritmus hitelessége és pontossága miatt van szükség. Fékezéskor a kapott sebességjel alapján az algoritmus meghatározza a tapadási tényezőhöz (a kerékpár gumija és a talaj közt) tartozó ideálisnak tekintett lassulás mértékét és eldönti, hogy a HECU milyen állapotba kell, hogy kerüljön (féknyomás tartás, csökkentés, növelés) ahhoz, hogy a rendszer megfelelően működjön. A szükséges állapot meghatározása után a szelepek segítségével modulálható a féknyomás.
A kerékpár és ezáltal az elkészült algoritmus szimulációs és valós körülmények között is tesztelésre került. A 3. ábrán körülbelül 17 km/h-ról történő vészfékezési manőver eredményei láthatóak, amelyen megfigyelhető, hogy a fékezés során a kerékpár kerekei blokkolódtak. Az ABS a nyomás modulálásával (lila görbe) próbálta meg fenntartani a kormányozhatóságot, ezáltal a kerekek szabadon továbbfordulhattak.
3. ábra: A vezérlő algoritmus tesztelésének eredménye
Az egyetemen tett látogatást követően kiderült, hogy az elkészült prototípus iránt egy francia befektető is érdeklődik, aki együttműködési szándékát jelezte az egyetem felé. Míg a legtöbb ember a kerékpár prototípust városi használatban képzelné el, addig a befektető a versenysport területét célozná meg a biztonsági rendszerrel.
A rendszer megismerésekor szóba kerültek egyéb ABS megoldások is, bár egyelőre csak a bowdenes fékrendszerekhez alkalmas változatokról létezik bővebb információ. Ilyen konstrukció az SABS, amely a felni fékpofájánál helyezkedik el és a felni blokkolásakor a fékpofa elmozdításával előzi meg a kerék megcsúszását.
Az ABS egység
Egy másik közismert és költséghatékony megoldás a Shimano Power Modulatora. Ez egy, a bowden házba illeszthető rugós egységből épül fel, amely fékezés hatására összenyomódik, így a rendszer nem enged akkor fékerőt kifejteni a fékpofák által, hogy a kerekek blokkolása bekövetkezzen. (Ennek következtében kissé nyúlós érzést nyújt a fékezéskor, hasonlóan, mint egy gyenge minőségű bowdenkülső vagy műanyag fékkar használata esetén.)
Érdemes belegondolni abba, hogy mennyit fejlődött az utóbbi időszakban a technika. Néhány éve még ismeretlen volt az elektromos váltás vagy a teleszkóp lockout, most pedig már a nyakunkon van egy újabb elektromos egység, ami a biztonságunkat szolgálja. Kíváncsian várjuk, hogy mennyire tud teret hódítani magának és melyik kerékpározási szegmensben találja meg a helyét igazán.
Referenciák:
[1] Dr. Peter E. Rieth, Stefan A. Drumm, Michael Harnishfeger, Electronic Stability Program: The brake that steers, verlag moderne industrie, 2002, pp. 16-26.
[2] U.S. Department of Transportation, National Highway Traffic Safety Administration, Traffic Safety Facts 2009 Data, 2010
[3] IDB, Injuries in the European Union, Statistics Summary 2005-2007, 2009 Report, 2009
[4] SWOV, SWOV Fact Sheet, Bicycle Helmets, Sept. 2011
[5] Winck, R., Marek, K., and Ngoo, C., Active Anti-lock Brake System for Low Powered Vehicles Using Cable-Type Brakes, SAE Technical Paper, 2010
[6] Astrom, K.J.; Klein, R.E.; Lennartsson, A., Bicycle Dynamics and Control: adapted bicycles for education and research, IEEE Control Systems Magazine, Volume 25, Issue 4, Aug. 2005, pp. 26-47.
[7] Limebeer, D.J.N., Sharp, R.S., Bicycles, motorcycles, and models, IEEE Control Systems Magazine, Volume 26, Issue 5, Oct. 2006, pp. 34-61.
[8] Cerone, V.; Andreo, D.; Larsson, M.; Regruto, D., Stabilization of a Riderless Bicycle, IEEE Control Systems Magazine, Volume 30, Issue 5, Oct. 2010, pp. 23-31.
A kerékpár teszteléséről készült videófelvétel itt található: http://www.youtube.com/watch?v=LgTxmtkszdE
