Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ тенденций развития тормозных систем современных автомобилей. Цель и задачи исследования 15
1.1. Структура гидравлической тормозной системы с электроприводом 33
1.1.1. электрогидравлический тормозной привод централизованного действия 34
1.1.2. распределенный электрогидравлический тормозной привод 36
1.1.3. электропривод тормозной системы автомобиля в интегрированной архитектуре 36
1.2. Структура электромеханической тормозной системы 39
1.3. Выводы. Цель и задачи исследования 48
2. Исследование взаимосвязей и процессов в тормозном механизме с электроприводом 51
2.1. Основные процессы, протекающие при торможении автомобиля 58
2.2. Исследование электромеханического дискового тормозного механизма (ЭМДТМ) 78
2.2.1. максимальный тормозной момент 78
2.2.2. структура механической передачи 93
2.2.3. требования к электродвигателю электромеханического дискового тормозного механизма 102
2.3. Выводы 113
3 . Исследование электродвигателя электромеханического дискового тормозного механизма 116
3.1. Требования к электродвигателю на основе внутренних и внешних взаимосвязей тормозной системы 118
3.2. Наиболее значимые характеристики 125
3.3. Выводы 142
4. Разработка алгоритма управления ЭМДТМ и структуры мультиплексной архитектуры электрооборудования, обеспечивающей работу тормозной системы 144
4.1. Анализ информационных сетей автомобиля 157
4.2. Силовая сеть автомобиля 169
4.3. Электромеханическая тормозная система, интегрированная в мультиплексную архитектуру электрооборудования и алгоритм управления электромеханическим дисковым тормозным механизмом 171
4.4. Выводы 178
5. Рекомендации по дальнейшему исследованию и развитию автомобильных тормозных систем с электроприводом, управляемых мультиплексной архитектурой электрооборудования 181
5.1. Выводы 197
Заключение 198
Список литературы 202
Приложение 214
- электрогидравлический тормозной привод централизованного действия
- Основные процессы, протекающие при торможении автомобиля
- Требования к электродвигателю на основе внутренних и внешних взаимосвязей тормозной системы
- Анализ информационных сетей автомобиля
Введение к работе
Актуальность. Автомобильная промышленность является одной из важнейших отраслей народного хозяйства, обеспечивающей развитие экономики Российской Федерации. С каждым годом возрастает количество машин, как в городе, так и за его пределами, требуя увеличения пропускной и провозной способности дорог, что непосредственно связано с возрастанием скоростей движения и весовых норм автомобилей. Наибольшее значение имеет повышение скорости движения автомобильного транспорта, что в свою очередь влечет увеличение дорожно-транспортных происшествий на дорогах, а как следствие, остро встает вопрос о безопасности автомобиля.
Специалисты уверяют, что если бы тормозной путь автомобиля удалось сократить на 20%, то число жертв на дорогах уменьшилось бы на 15%. Как известно, если на современном автомобиле резко затормозить на скорости 100 км/ч, то # он пролетит по сухой дороге 40-50 метров, прежде чем остановится.
Поэтому в диссертации решается научно-техническая задача, призванная обеспечить повышение технико-эксплуатационных свойств автомобиля. В 1995г. на 31 Токийском автосалоне в Макухари были представлены автомобили технологии ASV (Advanced Safety Vehicle), которые можно считать началом комплексного внедрения систем активной и пассивной безопасности в автомобиль. Эта технология охарактеризовалась высокой насыщенностью автомобиля электронными системами и, вследствие этого, большой перегрузкой штатного электрооборудования.
Ситуация сегодняшнего дня еще более сложная, так как количество электронных систем, а также их модификаций увеличивается в геометрической прогрессии. Перенасыщение же автомобиля электроникой при стандартной органи- зации системы электрооборудования может не дать качественного изменения в положительную сторону, но и, наоборот, снизить технико-эксплуатационные по казатели автомобиля: снизить надежность; повысить пожароопасность, при нали- -8-чии сложной и громоздкой электропроводки; усложнить проведение технического осмотра и ремонта, а самое главное, увеличить его стоимость.
Для избежания данных недостатков и рекомендуется объединить все системы автомобиля в мультиплексную архитектуру электрооборудования, в том числе, и тормозную систему.
Подобными тормозными системами занимаются все крупные мировые производители автомобильной продукции («Даймлер Крайслер», «БМВ», «Сименс», «Валео» и др.), некоторые наработки были сделаны и в нашей стране, в частности, по разработке: мультиплексного интерфейса обмена данными на автомобиле, антиблокировочных (АБС) и противобуксовочных (ПБС) систем, систем впрыска топлива и др. (ФГУП «НИИАЭ», НТЦ «Мультисеть», ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» и рядом других предприятий оборонного назначения).
Анализ мирового и отечественного опыта показал, что наиболее значимыми задачами мирового автомобилестроения нового столетия становятся три направления: переход на 42В, разработка и освоение производства топливных элементов, а также внедрение распределенных систем активной и пассивной безопасности, основанных на принципе мультиплексирования.
Исследование вопросов торможения, анализ возможности реализации более совершенных тормозных систем автомобиля с повышенными технико-эксплуатационными, массогабаритными и экономико-стоимостными характеристиками, в частности, автомобиля ГАЗ 3105, является одной из актуальных и значимых задач снижения количества дорожно-транспортных происшествий, как вследствие технической неисправности автотранспортного средства и вины водителя, так и при наличии других потенциальных причин ДТП. При этом системы активной безопасности, в отличие от систем пассивной безопасности, которые пытаются сократить лишь ущерб от ДТП, стремятся предотвратить появление на дороге аварийной ситуации, непосредственно вмешиваясь в процесс управления автомобилем и, помогая водителю принять нужное решение за предельно короткий промежуток времени. -9-Подобными свойствами и обладает любая тормозная система автомобиля с электроприводом, например, электромеханическая (ЭМТС). Гибкость, надежность и безотказность ее работы обуславливается суммарной надежностью всех ее составляющих узлов и агрегатов, применяемых в ней: распределенной мультиплексной архитектуры, основанной на отказоустойчивом протоколе передачи данных «жесткого» реального времени ТТР/С, высокотехнологичном бесколлекторном моментном двигателе постоянного тока, алгоритме управления и реализации функций систем АБС, ПБС и др., а также, что самое главное, интегрированной работы, как одного из подмодулей комплекса систем активной безопасности под управлением мультиплексной архитектуры электрооборудования.
Проблема повышения безопасности движения транспортного средства, решаемая в данной работе в результате применения на автомобиле тормозной системы, обладающей повышенными технико-эксплуатационными и экономико-стоимостными показателями - проблема «вечная», а, следовательно, ее актуальность и значимость выражается жизнями не погибших и не изувеченных на дороге людей.
Таким образом, сказанное позволяет утверждать, что исследование и разработка тормозной системы с электроприводом, способной интегрировано работать в сложной информационной среде автомобиля - актуально и необходимо.
Цель диссертационной работы состоит в установлении взаимосвязей и процессов, протекающих в автомобильной тормозной системе с электроприводом, интегрированной в мультиплексную архитектуру электрооборудования, что позволит перейти к ее аппаратной реализации и созданию автомобиля с улучшенными технико-эксплуатационными показателями.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи: 1. выполнен анализ тенденций развития тормозных систем и перспективы дальнейшего развития отечественных и зарубежных автомобилей, который доказал, что перспективной является распределенная электромеханическая -10-тормозная система (ЭМТС), обеспечивающая повышенные технико-эксплуатационные характеристики; исследован электромеханический дисковый тормозной механизм, определены требования, предъявляемые к каждому из его узлов, а также внешние и внутренние взаимосвязи в нем; установлено, что протокол «жесткого» реального времени отвечает всем требованиям распределенной электромеханической тормозной системы, а эффективность ее работы повысится при переходе бортовой сети на напряжение 42В. разработан алгоритм управления электромеханическим дисковым тормозным механизмом, как одного из узлов мультиплексной архитектуры электрооборудования; исследованы взаимосвязи электромеханической тормозной системы с другими системами, агрегатами и технико-эксплуатационными показателями автомобиля в целом, определены требования по наиболее рациональному их проектированию; доказана обоснованность и достоверность показаний наработок, и адекватность предложенной модели; разработаны рекомендации по практическому созданию электромеханической тормозной системы, интегрированной в мультиплексную архитектуру электрооборудования автомобиля.
Методика проведения исследования зависимостей и выявление процессов, протекающих в тормозной системе с электроприводом, интегрированной в мультиплексную архитектуру электрооборудования, базировалась на использовании методов теории построения распределенных мехатронных систем, теории автоматического управления, сопротивления материалов, теории механизмов и машин, деталей машин, теории автомобиля, электропривода и теории передачи данных. Исследование, моделирование и решение теоретических задач потребовало применения ЭВМ, как для прямых расчетов и моделирования, так и для обработки статистической информации. В частности, значительная часть расчетов выполнялась в программе Excel 8.0, поставляемой в пакете Microsoft Office 2000. Для выполнения имитационного моделирования использовался язык Visual Basic for Application (VBA) также поставляемый в пакете Microsoft Office 2000. Использование Excel 8.0 позволило в значительной мере снизить необходимость в прямом программировании и напрямую работать с объектами данного пакета. Применение же встроенного языка VBA дало возможность наблюдать динамику автомобиля и узлов ЭМТС при его торможении.
Обоснованность и достоверность показаний наработок, и адекватность модели базируются на отдельных фрагментах расчетов, уже апробированных в практике автомобилестроения или смежных отраслях машиностроения. В частности, шариковой винтовой передачи [34, 39], дискового тормозного механизма [28, 29, 30], исполнительного электродвигателя [40, 41,43, 46,47,48,49, 50, 51, 53,54, 84, 89], информационно-управляющей среды [48, 55, 56, 58, 59, 61, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 81, 82, 87, 90]. А также при экспериментальном исследовании тормозных свойств современных тормозных механизмов на ОАО «ГАЗ», свойств исполнительных механизмов и информационно-управляющей сети в ФГУП «НИИАЭ», свойств тормозных систем отечественных и зарубежных автомобилей, как с наличием систем, основанных на применении электропривода, так и без такового на полигоне Научно-исследовательского центра по исследованиям и доводке автомототехники (ФГУП НИЦИАМТ) [32]. С помощью компьютерного моделирования проверена действенность алгоритма электромеханического дискового тормозного механизма ГАЗ 3105, которая показала эффективность предлагаемой системы и сделала вывод о ее перспективности. Хорошее совпадение данных компьютерного моделирования работы исследуемой тормозной системы с данными экспериментов свидетельствует о достоверности и обоснованности полученных результатов. -12-На зашиту выносятся следующие основные научные результаты и положения: впервые предложенная математическая модель тормозной системы с электроприводом, интегрированной в мультиплексную архитектуру электрооборудования, обеспечивающая повышенные технико-эксплуатационные свойства автомобиля; установленные взаимосвязи между конструктивными параметрами электромеханического дискового тормозного механизма (исполнительного электропривода, шариковой винтовой передачи, дискового тормозного механизма и информационно-управляющей среды) и тормозными свойствами автомобиля; математическое описание статических и динамических режимов работы электромеханического дискового тормозного механизма, в частности, электрического двигателя и передаточного механизма. алгоритм управления электромеханическим дисковым тормозным механизмом.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что для нового класса тормозных систем с электроприводом: разработана математическая модель для исследования влияния электромеханической тормозной системы на технико-эксплуатационные показатели автомобиля; установлены неизвестные ранее взаимосвязи между тормозными свойствами автомобиля и параметрами электромеханического дискового тормозного механизма; впервые определена структура мультиплексной архитектуры электрооборудования, включающей электромеханическую тормозную систему, как совокупность информационных сетей различных классов и протоколов (ТТР/С, ТТР/А, CAN, LIN) и силовой сети повышенного напряжения 42В; разработан алгоритм управления электромеханическим дисковым тормозным механизмом.
Практическая значимость - В работе разработана электромеханическая тормозная система, интегриро- т ванная в мультиплексную архитектуру электрооборудования для обеспечения наилучших технико-эксплуатационных характеристик автомобиля.
Разработана инженерная методика расчета дискового тормозного механизма с электроприводом, позволяющая установить и исследовать такие параметры и взаимосвязи как: весовые характеристики автомобиля и его геометрия, статический и динамический радиус колеса, дорожные и погодные условия, тип тормозных колодок, массогабаритные характеристики электромеханического дискового тормозного механизма и его быстродействие, силовые взаимосвязи шариковой винтовой передачи, тип и характеристики исполнительного электродвигателя.
Выполненный комплекс исследований позволяет внести ряд разработок, способствующих созданию тормозной системы повышенных технико- эксплуатационных показателей на отечественном автомобиле, с дальнейшим ее функционально «интеллектуальным» развитием (АБС, ПБС, «круиз кон- трол» и т.п.).
Реализация результатов работы. Разработанные принципы построения электромеханической тормозной системы и методы проектирования приняты для использования в разработках перспективных моделей автомобилей ОАО «ГАЗ», а также Федеральным государственным унитарным предприятием «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» (ФГУП «НИИАЭ»), Государственным научным центром Российской Федерации Федеральным государственным унитарным предприятием ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» и в учебном процессе МГТУ «МАМИ» на кафедре «Электротехника и компьютеризированные электромеханические системы» при изучении специализации «Электропривод и микропроцессорные системы управ ления им на автомобилях и электромобилях». -14-Апробаиия работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены специалистами ОАО «ГАЗ», а также на
7 международных и Российских научно-технических конференциях и симпозиу- # мах, в том числе: Ассоциации автомобильных инженеров России «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров» (г.Москва) в 2000 и 2002 гг., на симпозиумах по автоэлектрике и автоэлектронике (г.Суздаль) в 2001 - 2002 гг., на 60й научно-методической и научно-исследовательской кон ференции МАДИ(ТУ) (пМосква) в 2002 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, среди которых 5 статей, 7 тезисов и докладов, 2 научно-технических отчета по НИР.
Структура и объем диесеотаиии. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 138 стр., 44 рисунков, списка литературы, включающего 126 наименования и приложения на 4 стр., включаю- щего справки об использовании результатов диссертационной работы на пред приятиях и учебном процессе кафедры «Электротехника и компьютеризирован ные электромеханические системы».
1. Анализ тенденций развития тормозных систем современных автомобилей. Цель и задачи исследования
С каждым годом возрастает количество машин, как в городе, так и за его пределами, требуя увеличения пропускной и провозной способности дорог, что непосредственно связано с увеличением скоростей движения и весовых норм автомобилей. При этом значительно изменился сам состав транспортных потоков, требуя более безопасные и надежные транспортные средства. Исследования, проводимые в «МАДИ» кафедрой изысканий и проектирования дорог в июле-августе 2000г., учитывали движение на грузонапряженных магистральных дорогах в пределах Московской области. Это автомобильные дороги Москва - Ярославль, Москва - Рига, Москва - Челябинск, Москва - Санкт-Петербург и Рублево-Успенское шоссе с помощью методики ГипродорНИИ (Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог. ВСН 6-90 Минавтодора РСФСР), в основу которой положены принципы краткосрочных замеров и приведения их в суточные. Изменение общей суточной интенсивности по длине исследуемых дорог представлено (рис. Ы). Следует отметить, что за последние 10 лет произошли большие изменения в составе транспортных потоков. Если ранее доля легковых автомобилей, за редким исключением, вблизи больших городов составляла до 20%, грузовых - до 75%, автобусов - 5%, то в настоящее время легковые автомобили составляют 52-70%, грузовые до 45%, автобусы - 3-4% транспортного потока. Тенденция изменения состава транспортных потоков за последние 10 лет представлена в таблице 1.1. Из таблицы видно, что большую часть транспортного потока составляют легковые автомобили. Количество легковых иномарок достигает 17,5% от всего состава движения. На грузовые автомобили приходится 29,4%. Большая часть из них - тяжелые грузовые автомобили (17,7%). Грузовые трейлеры с 3-4 осями и 2-мя скатами на ось составляют в среднем по четырем дорогам 2%, однако на дороге Москва - Санкт-Петербург, по которой осуществляются международные перевозки, они достигают 6,5%. Специфичен состав транспортного потока на Рублево-Успенском шоссе. Легковые автомобили в среднем ^. 100
Протяженность, KM
Рис. 1.1. Изменение интенсивности движения по длине дорог: 1.Рублево - Успенское шоссе; 2. Москва-Рига; З.Москва - Ярославль; 4. Москва - Челябинск; 5. Москва - Санкт-Петербург
Таблица 1.1
Таблица 1.1 Тенденция изменения состава транспортных потоков за последние 10 лет -18-составляют 83,3%, грузовые автомобили 10,7% и автобусы 5,2%. Данные о составе транспортных потоков на основных направлениях города Москва за июль-август 2000 года изложены в таблице 1.2 [1].
Из данных видно, что за последние 10 лет произошло резкое увеличение количества легковых автомобилей за счет частных автовладельцев, как правило, не имеющих профессиональной подготовки вождения автомобиля. Из них значительная часть эксплуатирует автомобили отечественного производства, оснащенные гидростатическими тормозными системами, разработанные и контролирующиеся по ГОСТ 22895-77. Незначительная часть автовладельцов автомобилей импортного производства в большинстве своем эксплуатируют устаревшие автотранспортные средства. И лишь малая часть автовладельцев отечественных и импортных автомобилей эксплуатируют автомобили, оснащенные тормозными системами с функциями АБС, ПБС, «круиз контрол» и др.
Само по себе увеличение количества автотранспорта на дороге требует увеличения пропускной и провозной способности дорог (не принимая во внимание реконструирование дорожного полотна), что влечет за собой сокращения дистанции между автомобилями до минимально допустимой и увеличения начальной скорости торможения Vj. В результате этого от водителя требуется повышенное внимание и напряжение, влияющие на его утомляемость. Автомобиль же в свою очередь должен обеспечивать максимальное быстродействие тормозной системы и минимальный тормозной путь.
Данная статистика еще раз подтверждает актуальность выбранной темы и дальнейшее ее рассмотрение на примере легкового автомобиля. И хотя сегодня ведутся активные работы по созданию автомобильных дорог, отвечающих всем требованиям безопасности, факт увеличения начальной скорости торможения V, автомобильного транспорта, продолжает влиять на увеличение количества тяжких дорожно-транспортных происшествий на дорогах. Как следствие, остро встает вопрос о безопасности автомобиля и создании новых систем активной и пассивной безопасности с повышенными технико-эксплуатационными характеристиками.
Таблица 1.2
Таблица 1.2 Данные о составе транспортных потоков на основных направлениях г. Москва за шоль-август 2000г. -20-Автомобильная промышленность является крупным потребителем разнообразной продукции других отраслей машиностроения. Поэтому, для создания высокотехнологичных решений на автомобилях нового столетия, стоит острая необходимость в высококачественных товарах от поставщиков полуфабрикатов и сырьевой базы. К этим товарам можно отнести продукцию: металлургической промышленности (металлопрокат), химической промышленности (полимерные материалы, изоляторы, лакокрасочные покрытия и др.), текстильной промышленности, шинной промышленности, электронной и других не менее важных отраслей машиностроения, обеспечивающих превращение идеи конструктора в законченное изделие — автомобиль.
При этом технический уровень автомобиля определяется как совокупность технико-эксплуатационных характеристик всех систем, узлов и агрегатов автомобиля, непосредственно зависящих от технического и технологического прогресса каждой отрасли машиностроения, являющейся прямым или косвенным поставщиком комплектующих для автомобильной промышленности.
Повышение технического уровня автомобиля - это в первую очередь повышение его надежности, отказоустойчивости и безопасности. Каждая из существующих систем автомобиля в той или иной степени решает эти вопросы, однако существуют наиболее значимые системы, определяющие его безопасность. Достижения в электрике, электронике, создание постоянных магнитов высоких энергий, энергетики и прочих направлениях позволяют сегодня исследовать и проектировать системы, которые вчера были технологически невыгодными, дорогостоящими или не реализуемыми - системы активной безопасности, способные непосредственно вмешиваться в процесс управления автомобилем, помогая водителю в принятии быстрых и безошибочных решений, частично внося функции «интеллектуального» или автоматического управления.
Полным ходом идет освоение антиблокировочных и противобуксовочных систем, «подушек безопасности», курсовой стабилизации и других систем, позволяющих повысить технико-эксплуатационные характеристики автомобиля. Наиболее перспективным направлением на сегодняшний день является интеграция -21-тормозного управления в информационную и силовую среду автомобиля посредством применения управляемого электрического привода.
При этом постоянно повышающиеся требования к экономичности, безопасности, экологичности требуют применения новых мехатронных систем, которые заменят механику и гидравлику электромеханикой с электронной системой управления.
Для процесса эксплуатации автомобиля характерно достаточно частое изменение скорости его движения, как по направлению, с помощью рулевого управления, так и по величине, что достигается действием тормозного управления или изменением режима работы двигателя.
Теория автомобиля определяет, что основными фазами движения являются разгон, движение с постоянной скоростью, выбег (или движение накатом) и торможение. Фазы разгон и движения с постоянной скоростью требуют подвода энергии к колесам от двигателя, а для фаз выбега и торможения характерно поглощение кинетической энергии движущегося автомобиля. Во время выбега эта энергия поглощается вследствие сопротивления качению колес, сопротивления воздуха и т.п. Однако, создаваемое ими замедление движения автомобиля невелико. В связи с этим уже на первых автомобилях стали применять специальные устройства и системы, призванные создавать искусственное сопротивление движению, которое можно целенаправленно изменять. Применение этих устройств и обеспечивает фазу торможения, которая представляет собой создание и изменение искусственного сопротивления движению автомобиля или отдельных его единиц с целью регулирования скорости по определенному закону или удерживание автомобиля неподвижно относительно опорной поверхности [2].
Тормозная система должна быть максимально эффективной на скоростных и грузовых режимах движения автомобиля. Об эффективности тормозных систем судят по тормозному пути автомобиля (от начала нажатия на тормозную педаль до полной остановки автомобиля при движении по горизонтальному участку сухой дороги с асфальтовым покрытием) и замедлению. Тормозные системы должны обеспечивать равномерное распределение тормозных сил между колесами од- -22-ного моста, а отклонение не должно превышать 15% наибольшего значения тормозных сил [3].
Тормозные свойства автомобиля (в том числе и фазу экстренного торможения) также характеризует диаграмма изменения тормозной силы Рет или замедления jM во времени (рис. 1.2) [2], где ti- время реакции водителя, д t і-время запаздывания действия привода, to-время нарастания тормозной силы или замедления, ts- время установившегося торможения, U- время оттормаживания. С помощью диаграммы можно определить среднее и максимальное значение тормозной силы или замедления, т.е. параметров, определяющих эффективность рабочей тормозной системы. Таким образом, тормозной системой автомобиля называется совокупность устройств, предназначенных для осуществления процесса (фазы) торможения. В свою очередь, совокупность тормозных систем называется тормозным управлением. Полная структура тормозного управления показана на рис. 1.3 [2]. Требования к тормозным свойствам колесных машин регламентируются Правилами №13 Комитета по внутреннему транспорту Европейской Экономической Комиссии Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН). В странах, присоединившихся к ЕЭК ООН, в соответствии с требованиями этих Правил разрабатываются национальные и отраслевые стандарты.
В России ГОСТ 22895-77 регламентирует основные нормативы эффективности торможения и определяет технические требования к тормозным системам на стадии производства. ГОСТ 25275-91 устанавливает требования к техническому состоянию колесных машин по условиям безопасности движения и регламентирует нормативы эффективности торможения для колесных машин, находящихся в эксплуатации [2,3].
В течение всей истории автомобилестроения тормозная система претерпела значительные изменения. Однако все применяемые до сегодняшнего дня тормозные системы в той или иной степени используют мускульную силу водителя, а его голову в качестве основного бортового компьютера, призванного решать с каким усилием и какой длительностью необходимо осуществлять торможение при заданной скорости движения, чтобы обеспечить максимальную эффективность
Рис. 1.2
* КТ
Рис. 1.2. Диаграмма изменения тормозной силы
Запасная тормозная система
Стояночная тормозная система
Вспомогательная тормозная система
Рис. 1.3. Полная структура тормозного управления -25-торможения и курсовую устойчивость автомобиля. Так как следящий привод представляет собой замкнутую активную динамическую систему, управляющую перемещением объекта регулирования и, исходя из стандартных требований к тормозным системам автомобиля, уже классическую тормозную систему можно в той или иной мере отнести к следящему приводу с биогидромеханической и биомеханической обратными связями. При этом в качестве устройства обработки ошибки «дельта» служит голова водителя (чья передаточная функция является достаточно сложной" вследствие чего контур рассматривается как разомкнутый, и смысл выражения следящий привод теряется), а в качестве датчиков замедления движения автомобиля и угловой скорости колеса - чувство водителя интенсивности изменения скорости автомобиля, т.е. его перегрузка, не учитывая применения регулятора тормозных сил. Следовательно, тормозная система автомобиля призвана обеспечить торможение автомобиля в результате создания и изменения искусственного сопротивления движению автомобиля, воздействуя рабочими тормозными цилиндрами на пару трения колодка-диск (для дисковых тормозных механизмов), создавая эквивалентную тормозную силу с той или иной степенью точности представляемую как передаточная функция основным аргументом которой является управляющее воздействие главного тормозного цилиндра, контролируемое водителем посредством педали тормоза. Обобщенна схема следящего привода приведена на рис. 1.4 [4].
При общем рассмотрении можно выделить ряд основных устройств. Измерительное устройство, сравнивающее текущее значение регулируемой величины с управляющим воздействием и на основе этого сравнения формирующего сигнал ошибки - первичный сигнал управления. Преобразующее устройство следящего привода, предназначенное для преобразования сигнала ошибки к виду, удобному для дальнейшего использования. Например, преобразование ошибки переменного тока в постоянный, если последующие устройства следящего привода работают на постоянном токе. Предварительный усилитель, предназначенный для усиления по напряжению и мощности сигнала, поступающего с преобразующего устройства до значений, достаточных для управления усилителем мощности.
Рис. 1.4
Управляющее Сигнлі ' нтдып-тте ошибки
Регулируемая
Вошу тающее воздействие
Регулирующее saidetirmifiie
Местная обратная связь
Главная обратная связь
Рис. 1.4. Обобщенная схема следящего привода
ИУ - измерительное устройство; ПУ - преобразующее устройство; УП - предварительный усилитель;
СЧ - силовая часть; УМ - усилитель мощности; ИЭ - источник энергии; ИД - исполнительный двигатель; МП - механическая передача; ОР - объект регулирования;
ПКУ - параллельное корректирующее устройство.
В этом усилителе проводится также сложение названного сигнала с сигналом, поступающим от параллельного корректирующего устройства. Предварительный усилитель выполняется на полупроводниковых элементах. Как правило, он конструктивно объединен с преобразующим устройством. Регулирующее воздействие, непосредственно прикладываемое к объекту регулирования, создается с помощью силовой части следящего привода, которая состоит из усилителя мощности, исполнительного двигателя и механической передачи.
Усилитель мощности предназначен для управления потоком энергии, поступающим от источника энергии. Управляющим сигналом для него служит сигнал с предварительного усилителя. При этом мощность, развиваемая на выходе усилителя мощности, во много раз превышает мощность управляющего сигнала. В качестве усилителя мощности находят применения гидравлические, механические и электрические схемы. Исполнительный двигатель получает сигнал от усилителя мощности и с помощью механической передачи перемещает объект регулирования.
Следящие приводы работают в соответствии с установленной для них программой. Эта программа предусматривает обнаружение отклонения регулируемой величины от управляющего воздействия и, в конечном счете, воздействия на объект регулирования, с тем, чтобы свести названное отклонение к нулю. Подобный принцип работы характерен для систем автоматического и полуавтоматического регулирования. Схема следящего привода может быть существенно усложнена, если в следящий привод ввести устройства, позволяющие осуществлять контролируемые изменения свойств следящего привода в зависимости от условий его работы. Подобные приспосабливающиеся (адаптивные) следящие приводы можно построить таким образом, что они смогут производить самоанализ успешности контролируемых изменений своих свойств [4,5].
Поэтому, на первом этапе, целесообразно любую тормозную систему с электронным управлением представлять в виде следящего привода для правильной оценки управляющих воздействий или потока информации для дискретно реализованных схем управления (в этом случае необходимо поступление инфор- -28-мации о текущем значении регулируемой величины в цифровом виде) и выработки оптимального алгоритма управления.
Как в любом из следящих приводов за счет дополнительной энергии обес- ф печивается усиление мощности, в современной тормозной системе в значитель- ной степени снижается минимально необходимая сила нажатия на педаль тормоза, помогая водителю рядом дополнительных устройств (например, вакуумный усилитель).
В зависимости от способа передачи мускульной силы водителя от педали до тормозного механизма классические тормозные приводы могут быть механические, гидравлические и пневматические. Кроме того, применяются комбинированные, а также автоматизированные приводы, в которых мускульная сила водителя усиливается посторонним источником или заменяется им.
Механический привод чаще других используется для стояночных тормозов. При конструировании механического привода передаточные числа механическо го привода определяют исходя из кинематического анализа. Рабочим телом гидравлического тормозного привода является тормозная жидкость, к которой предъявляются высокие требования. Она должна иметь высокую температуру кипения, быть стабильной при изменении температуры и хранении, иметь хорошие смазывающие свойства и минимальное коррозионное воздействие (табл. 1.3). Усиление в элементах классического гидравлического тормозного привода определяется по законам гидростатики. При эксплуатации среднее значение давления ро - 2...3 МПа, при экстренном торможении значение ро может доходить до 10 МПа. Также ввиду малого давления жидкости обычно пренебрегают ее сжимаемостью и увеличением диаметров трубопроводов.
В пневматическом приводе тормозного управления рабочим телом служит сжатый воздух, вырабатываемый на борту автомобиля компрессором. Такой привод находит свое применение, главным образом, на борту большегрузных автомобилей. Вследствие сравнительно небольшого давления воздуха в пневматическом приводе (0,7. ..1,0 МПа) его масса значительно больше, чем гидравлического привода.
Таблица 1.3
Таблица 1.3 Свойства основных отечественных тормозных жидкостей -30-Наиболее перспективным направлением на сегодняшний день является электрификация и интеграция тормозного управления в информационную среду автомобиля, как одной из подсистемы комплекса активной безопасности [6].
Известны работы, проводимые в нашей стране по совершенствованию технико-эксплуатационных показателей дисковых тормозов, механизма автоматического торможения буксующего колеса автомобиля, систем привода других узлов а агрегатов тормозной системы [7, 8, 9, 10, 11, 12]. Аналогичные работы проводятся и за рубежом, при этом вектор наиболее перспективных работ направлен на исследование, разработку и внедрение электромеханических тормозных систем [15,16,21,22,23].
Создание и освоение новых систем активной безопасности, в частности тормозной системы, ставит задачу исследования принципиально новых методов управления системами, узлами и агрегатами автомобиля, отвечающих принципу -мультиплексирования.
Однако переход от традиционных систем, узлов, агрегатов и методов управления ими могут потребовать не только дополнительного переоборудования последних, но и новых конструкторских решений в целом. Для обеспечения наилучших технико-эксплуатационных, массогабаритных и экономико-стоимостных показателей тормозной системы с электроприводом необходимо освоение новых источников электроэнергии, внедрение информационных и 42В силовой шин (вследствие увеличения потребляемых мощностей), освоение преобразователей постоянного тока (DC/DC converters) для обеспечения совместимости традиционных электрических и электронных систем; освоение нетрадиционных исполнительных механизмов, с управлением командами, приходящие по информационной сети в соответствии с алгоритмом управления; множества дополнительных датчиков и других электрических, гидравлических и механических узлов и агрегатов.
Разработка тормозных систем автомобилей подобного типа должна осуществляться в следующем порядке: на первом этапе следует выбрать структуру тормозной системы, в которой будет использоваться электрический привод; дать анализ различных вариантов узлов и агрегатов, и обеспечить выбор наиболее эф- -31-фективного варианта, исходя из технико-эксплуатационных, массогабаритных и экономико-стоимостных характеристик; на втором этапе разрабатывается конкретная схема и производится выбор конструкции компонентов электрического привода, а также схемы электропривода, выбор типа электропривода по основным электрогидравлическим или электромеханическим характеристикам; в заключе ние проводятся исследования информационных потоков, алгоритма управления и определяются основные требования к информационным и силовой шинам муль типлексной архитектуры электрооборудования, накладываемые спецификой ра боты тормозной системы автомобиля.
Реализация таких тормозных систем возможна при использовании любых тормозных механизмов, как барабанных (рис. 1.5) [13], так и дисковых (рис. 1.8) [17], рис 1.9 [18], рис. 1.10 [19], рис. 1.11 [20].
Однако дисковые тормозные механизмы обладают лучшими технико-эксплуатационными показателями по сравнению с барабанными, поэтому все дальнейшие исследования будем проводить из предположения, что все четыре ко- леса используют дисковые тормозные механизмы. Преимущества дисковых тор мозных механизмов перед барабанными заключаются в стабильности характери стик; хороших условиях охлаждения трущихся поверхностей; меньшей массе; ма лых зазорах между тормозным диском и колодками, что позволяет увеличить пе редаточное число привода; уравновешенности осевых сил диска; равномерном распределении давления по поверхностям пар трения.
С целью снижения затрат в производстве и в эксплуатации следует максимально использовать апробированные элементы конструкций изделий и компоненты, входящие в выбранную тормозную систему. В результате обеспечивается значительный экономический эффект, а также от модели к модели отрабатывается схема применения тех или иных сборочных единиц системы и технология, асимптотически приближающиеся к максимальному повышению всех технико- эксплуатационных характеристик.
Данный параграф показал необходимость в переходе от классической тормозной системы к тормозным системам с электронным управлением, а как след -
Рис. 1.5. Электромеханический барабанный тормозной механизм фирмы Delphi
1 - регулировочный винт; 2 - механическая передача; 3 - реактивный рычаг; 4 - первичная колодка; 5 - пружина; 6 - распорка; 7 - пружина отвода; 8 и 16 - анкерный болт; 9 - активный рычаг; 10 - вторичная колодка; 11 - регулировочная скоба; 12 - разъем; 13 - электропривод; 14 - сварочная подкладка; 15 - алюминиевый барабан; 17 - датчик скорости колеса. -33- ствие, освоение элекгрогидравлического и электромеханического привода тормо зов, для обеспечения гибкости, функциональности, быстродействия, а самое глав ное «интеллектуализации» тормозных систем в результате автоматизации некото- 9 рых функций тормозной системы. Введение и изучение электрического привода в тормозные системы различных конструкций является переходным шагом от классических тормозных систем к интегрированным тормозным системам, повышенных технико-эксплуатационных, массогабаритных и экономико-стоимостных характеристик.
1.1. Структура гидравлической тормозной системы с электроприводом
В последние годы гидравлический привод стал неотъемлемой частью автомобиля, имея значительные преимущества перед пневматическим и механическим тормозными приводами (не путать с электромеханическим приводом). Он также получил широкое распространение в самых различных отраслях машиностроения. Гидропривод нашел широкое применение в металлорежущих станках, в станках для холодной прокатки труб, ножницах, кантователях, рольгангах, мотал ках и волочильных станках, машинах для отделки и сортировки проката, в стале литейном и доменном оборудовании. Большое распространение гидропривод по лучил в тяжелом горнорудном оборудовании, в шагающих экскаваторах, кранах, роторных экскаваторах, мощных отвальных транспортерах, дробилках, кузнечно- прессовом оборудовании и прочем механическом оборудовании. Особо широко применяются гидропередачи на всех видах транспорта [6].
Широкое применение гидравлических приводов (систем) в машинах обусловлено их преимуществами, основное из которых - относительны малые габариты и вес, приходящиеся на единицу мощности. Малым весом, приходящимся на единицу тягового усилия, отличаются поршневые гидромоторы (силовые гидроцилиндры), с успехом применяющиеся сегодня в автомобилестроении [6].
Однако при наличии всех выше перечисленных достоинств гидравлических тормозных систем, они обладают рядом крупных недостатков, таких как различ ность физической природы между управляющей (информационной) и силовой уз- -34-лами и агрегатами тормозной системы, наличие жидкого рабочего тела (часто обладающего токсическими свойствами) и др. 1.1.1. электрогидравлический тормозной привод централизованного действия
В стремлении повышения качества работы тормозной системы автопроизводители пытаются максимально снизить влияние человека на процесс торможения и тем самым снизить требования к мускульной силе водителя, обеспечивая тем самым предсказуемость и интеллектуальность протекающих в системе процессов. Первым шагом в переходе на автоматические тормозные системы является применение электрогидропривода.
Наиболее простая структурная схема такой системы реализуется на основе постоянно действующего в режиме движения, разгона и остановки автомобиля гидравлического насоса с приводом от вентильного электродвигателя. Такая схема реализации наиболее удобна, так как во многом не отличается от классической тормозной системы с АБС, и позволяет реализовать работу систем ПБС и «круиз контрол». Причем необходимо отметить, что такая схема реализации позволяет использовать стандартные узлы и агрегаты классической тормозной системы и электронных систем типа АБС, ПБС и «круиз контрол» (в том числе и алгоритмов управления).
Примером применения такой схемы тормозной системы с электрогидроприводом может служить тормозная система с централизованным электроприводом фирмы «Бош» (Bosch) для автомобиля Mercedes класса SL, структурная схема которой представлена на рис. 1.6 [14]. Фирма применила электропривод поршневого насоса, создающего давление в гидравлической системе в пределах от 14 до 16 МПа, с диафрагменным гидроаккумулятором для уменьшения пульсаций. Когда тормоза срабатывают, узел контроля электрогидравлической системы рассчитывает необходимое тормозное давление для каждого колеса. Тормозное давление для каждого из четырех колес регулируется индивидуально посредством колес ных модуляторов давления, которые состоят из одного впускного и одного выпу скного клапанов, управляемых электроникой. Тормозная педаль сконструирована ActuKton jii.i
и . !. «*^
Рис. 1.6. Электрогидравлическая тормозная система с централизованным электроприводом и встроенной АБС фирмы BOSCH -36-таким образом, что обеспечивает необходимую симуляцию обратной связи водителя с тормозной системой [14].
1.1.2. распределенный электрогидравлический тормозной привод
Совершенствование тормозной системы с центральным электроприводом приводит к рассмотрению распределенной электрогидравлической тормозной системы, как с управлением по мультиплексному каналу связи, что рекомендуется для распределенной структуры, так и без такового. Реализация такой системы позволяет подойти к рассмотрению данного вопроса уже с двух сторон: применение управляемого или постоянно действующего электрического двигателя для привода насоса тормозного механизма колеса.
Наиболее простым, и в тоже время позволяющим использовать все достоинства распределенной структуры, является применение постоянно действующего электропривода насоса, а регулирование давления осуществлять с помощью классической АБС архитектуры.
Применение регулируемого электропривода позволит избежать применения лишних клапанов и дросселей, а регулирование осуществлять непосредственно через электродвигатель. Такое техническое решение также позволяет реализовать функции электронных систем типа АБС, ПБС и «круиз контрол» с помощью алгоритмов управления электродвигателем привода насоса, симулирующих работу выше перечисленных электронных систем.
1.1.3. электропривод тормозной системы автомобиля в интегрированной ар хитектуре
Дальнейшая доработка одной из вышеперечисленных систем и взаимная интеграция тормозной системы с антиблокировочной системой, противобуксо-вочной системой, системой «круиз контрол» или автоматического регулирования скорости автомобиля, системой регулирования тягового усилия, системой стабилизации и т.п. расширяет требования к управляемому торможению, как в режимах -37-«торможения» и «разгона», так и в обеспечении низкоскоростного режима движения.
электрогидравлический тормозной привод централизованного действия
В стремлении повышения качества работы тормозной системы автопроизводители пытаются максимально снизить влияние человека на процесс торможения и тем самым снизить требования к мускульной силе водителя, обеспечивая тем самым предсказуемость и интеллектуальность протекающих в системе процессов. Первым шагом в переходе на автоматические тормозные системы является применение электрогидропривода.
Наиболее простая структурная схема такой системы реализуется на основе постоянно действующего в режиме движения, разгона и остановки автомобиля гидравлического насоса с приводом от вентильного электродвигателя. Такая схема реализации наиболее удобна, так как во многом не отличается от классической тормозной системы с АБС, и позволяет реализовать работу систем ПБС и «круиз контрол». Причем необходимо отметить, что такая схема реализации позволяет использовать стандартные узлы и агрегаты классической тормозной системы и электронных систем типа АБС, ПБС и «круиз контрол» (в том числе и алгоритмов управления). Примером применения такой схемы тормозной системы с электрогидроприводом может служить тормозная система с централизованным электроприводом фирмы «Бош» (Bosch) для автомобиля Mercedes класса SL, структурная схема которой представлена на рис. 1.6 [14]. Фирма применила электропривод поршневого насоса, создающего давление в гидравлической системе в пределах от 14 до 16 МПа, с диафрагменным гидроаккумулятором для уменьшения пульсаций. Когда тормоза срабатывают, узел контроля электрогидравлической системы рассчитывает необходимое тормозное давление для каждого колеса. Тормозное давление для каждого из четырех колес регулируется индивидуально посредством колес ных модуляторов давления, которые состоят из одного впускного и одного выпу скного клапанов, управляемых электроникой. Тормозная педаль сконструирована Электрогидравлическая тормозная система с централизованным электроприводом и встроенной АБС фирмы BOSCH -таким образом, что обеспечивает необходимую симуляцию обратной связи водителя с тормозной системой распределенный электрогидравлический тормозной привод
Совершенствование тормозной системы с центральным электроприводом приводит к рассмотрению распределенной электрогидравлической тормозной системы, как с управлением по мультиплексному каналу связи, что рекомендуется для распределенной структуры, так и без такового. Реализация такой системы позволяет подойти к рассмотрению данного вопроса уже с двух сторон: применение управляемого или постоянно действующего электрического двигателя для привода насоса тормозного механизма колеса.
Наиболее простым, и в тоже время позволяющим использовать все достоинства распределенной структуры, является применение постоянно действующего электропривода насоса, а регулирование давления осуществлять с помощью классической АБС архитектуры.
Применение регулируемого электропривода позволит избежать применения лишних клапанов и дросселей, а регулирование осуществлять непосредственно через электродвигатель. Такое техническое решение также позволяет реализовать функции электронных систем типа АБС, ПБС и «круиз контрол» с помощью алгоритмов управления электродвигателем привода насоса, симулирующих работу выше перечисленных электронных систем.
Дальнейшая доработка одной из вышеперечисленных систем и взаимная интеграция тормозной системы с антиблокировочной системой, противобуксо-вочной системой, системой «круиз контрол» или автоматического регулирования скорости автомобиля, системой регулирования тягового усилия, системой стабилизации и т.п. расширяет требования к управляемому торможению, как в режимах -«торможения» и «разгона», так и в обеспечении низкоскоростного режима движения.
Управление тяговым усилием автомобиля играет важную роль в повыше . нии стабильности движения автомобиля при разгоне, которое достигается за счет контроля тормозного давления и момента воспринимаемого от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) для снижения проскальзования ведущих колес. Во время разгона система управления тяговым усилием использует информацию о давлении в тормозной системе для определения требуемого снижения двигателем тягового момента. Также данная система необходима для предотвращения перегрева основной тормозной системы в течение управления тормозами. Таким образом, для электрогидравлической схемы давление в тормозной системе очень важный параметр, позволяющий повысить безопасность автомобиля в целом. Однако на некоторые автомобили устанавливают более дорогие датчики давления в тормозной системе, требующие дополнительного алгоритма диагностики. Примером подобных рассуждений на сегодняшний день может служить электрогидравлический комплекс фирмы Delphi Automotive Systems. Например, на рис. 1.7 [15] показан электрогидропривод управляемой тормозной системы с функциями АБС, регулирования тягового усилия и системой стабилизации автомобиля. Система поддерживает также адаптивную систему автоматического регулирования скорости автомобиля (АСС - adaptive cruise control), позволяющую осуществлять автоматическое торможение без наличия сигнала на педали тормоза. Контроллер АБС сигнализирует приводу модулятора главного цилиндра качать тормозную жидкость от главного цилиндра в сторону колесных гидравлический линий, через первичный электромагнитный клапан. В результате осуществляется плавное замедление автомобиля. Адаптивная система автоматического регулирования скорости автомобиля использует электропривод с широтно-импульсным управлением, отделенный различными клапанами для осуществле ния регулирования давления в гидравлических линиях между тормозными механизмами и отделяющими их клапанами [15].
Основные процессы, протекающие при торможении автомобиля
Находится ли автомобиль в движении или в состоянии покоя, на него постоянно действуют внешние силы: аэродинамическое сопротивление, сопротивление качению, инерция и т.п. Вследствие этого, автомобиль необходимо рассматривать как объект, взаимодействующий с внешней средой.
Совокупность автомобилей, различных по типам, степени загрузки и т.п., следующих в одном направлении с различными скоростями, образуют транспортный поток. Фактический режим движения, а в частности торможения, автомобиля по дороге определяется тремя факторами; эксплуатационными свойствами автомобиля; дорожными условиями, определяющими скорость движения; индивидуальными способностями водителя, позволяющими правильно воспринимать дорожные условия и назначать адекватную скорость движения. При торможении, как правило, используются не полностью допускаемые конструкцией динамические возможности автомобилей.
В общем случае на подъеме на автомобиль действуют следующие силы сопротивления (рис. 2.4) [29]: силы сопротивления качению Pf и сопротивление воздушной среды Pw на любом участке пути в любом режиме движения автомобиля {основное сопротивление). Сопротивления от уклона Pi и инерционные силы Р,, в зависимости от характера профиля пути и режима движения автомобиля, могут или отсутствовать, или даже иметь отрицательный знак, способствуя движению (например, при движении на спуске, под гору или при торможении).
Pw вызывается следующими составляющими: лобовым сопротивлением, обусловленным разностью давления воздуха спереди и сзади движущегося автомобиля; трением воздуха о боковую поверхность автомобиля; сопротивлением, создаваемым выступающими частями автомобиля (крыльями, зеркалами, номерными знаками и т.д.); затратой мощности на завихрение воздушных струй за автомобилем, около колес и под кузовом; сопротивлением воздуха, проходящего через радиатор и подкапотное пространство.
Суммарная сила сопротивления воздуха движению автомобиля (в Н) выражается формулой где с - коэффициент сопротивления среды (безразмерная величина, зависящая от формы тела, движущегося в воздушной среде, а также от гладкости его поверхности); р - плотность воздуха, равная на уровне моря 0,125 Не2 /м ; W, - площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную направлению его движения (лобовая или мидельная площадь), м2; V - скорость движения автомобиля относительно воздушной среды, км/ч; при попутном ветре V - Va -Ую при встречном ветре V = Va+Vm где Ve - скорость ветра.
Произведение (ср)в тяговых расчетах автомобилей заменяется коэффициентом сопротивления воздуха к8, определяемым экспериментально Сопротивление качению Pf выражается в затратах энергии на деформацию шин и дороги. На ровных цементобетонних и асфальтобетонных покрытиях основным фактором, определяющим сопротивление качению, является обжатие шин. На менее ровных покрытиях (щебеночных, гравийных, булыжных мостовых) добавляется сопротивление, связанное с наездом колес на неровности покрытия. На грунтовых дорогах с мягкой поверхностью сопротивление создается затратой усилий на деформирование шины и грунта при образовании колеи [29].
В силу незначительного влияния аэродинамической составляющей на режим торможения, далее не учитывается. где Gj - нагрузка на дорогу от отдельных колес; fj - соответствующие коэффициенты сопротивления качению. При движении автомобиля по деформирующимся грунтовым поверхностям с образованием колеи сопротивление качению определяется по формуле [29] (2.3) где - коэффициент, изменяющийся от 0,75 до 1 в зависимости от состояния грунта; Н - глубина колеи после прохода данного колеса; Д - диаметр колеса. Сопротивление качению зависит от ряда факторов: ровности покрытия дороги; скорости движения автомобиля; эластичности шин. При скорости движения ниже 50 км/ч коэффициент сопротивления качению считается практически постоянным, имеющим следующие значения ff= fo (табл. 2.2). При скоростях, близких к расчетным, для дорог с ровной, твердой поверхностью коэффициент сопротивления качению в диапазоне скоростей 60 Г 150км/ч определяется зависимостью [29]:
Требования к электродвигателю на основе внутренних и внешних взаимосвязей тормозной системы
Так как элементы любой тормозной системы оказывают влияние на работу системы подрессоривания во втором приближении, необходимо при проектировании тормозной системы согласовать ее параметры с характеристиками подвески. Обеспечить плавность хода, снизить динамические нагрузки на элементы конструкции и опорную поверхность в заданном частотном интервале, повысить устойчивость и управляемость автомобиля, и надежность системы подрессоривания. При этом под плавностью хода понимают качество автомобиля, характеризующее вибрационную безопасность водителя, пассажиров, перевозимых грузов и собственных агрегатов автомобиля от воздействия вибрации, имеющей место при движении.
При проектировании тормозной системы под определенные конструкции подвесок (легковых автомобилей семейства ГАЗ 31) необходимо обеспечить, чтобы новые конструктивные решения не изменяли заданных пределов частоты ко -119-лебания неподрессоренных масс и технико-эксплуатационных показателей системы подрессоривания в целом.
Выполнение данного условия необходимо для обеспечения повышения активной и пассивной безопасности автомобиля, иначе технические новации одной системы будут снижать техннко-эксплутационные показатели других систем автомобиля. Важно отметить, что при невозможности выполнения данного условия при стандартной системе подрессоривания и необходимости именно такого конструктивного решения тормозной системы, требуется обеспечить доводку подвески автомобиля или полное ее конструктивное обновление таким образом, чтобы данное условие выполнялось.
Исключительно важным является вибрационная безопасность человека и вибрационная безопасность узлов и агрегатов подвески. Два этих фактора, непосредственным образом, характеризуют безопасность автомобиля для человека, так как вибрационное воздействие на узлы и агрегаты при неправильно спроектированной подвеске автомобиля может не только привести к усталостным разрушениям элементов конструкции, но и повлиять на устойчивость и управляемость, что в свою очередь повлияет на другие системы автомобиля, в частности, на тормозную систему, ухудшая при этом ее технико-эксплуатационные показатели.
Влияние же вибрации на человека снижает безопасность вождения автомобиля, нарушая его нормальное состояние. Действие вибрации на человека определяется ее направлением, интенсивностью, спектром частот, продолжительностью и местом приложения возмущения, а также индивидуальными особенностями человека, В диапазоне частот от 4 до 8 Гц повышается чувствительность организма человека к вибрации. Причина этого заключается, очевидно, в резонансных явлениях различных частей тела человека и внутренних органов. Вибрация при постоянном воздействии оказывает неблагоприятное влияние на организм человека, поэтому ее нормируют. Общий подход к нормированию вибрации заключается в ограничении виброускорения или виброскорости, измеренных на рабочем месте человека-оператора в зависимости от направления действия вибрации, ее частоты и продолжительности. Отметим, что плавность хода машины ха -120-растеризуется общей вибрацией. Общая вибрация - вибрация, которая передается через опорные поверхности на тело сидящего человека. Наиболее легко человек переносит колебания с частотой 60 ... 90 колебаний в минуту (1... 1,5 Гц), которые он испытывает при ходьбе, т.е. равные числу шагов человек в минуту [2].
Для гигиенической оценки вибрации, действующей на человека, используют следующие методы: интегральный - показатели вибрационной нагрузки определяют во всем заданном частотном диапазоне; раздельно-частотный - заданный частотный диапазон разбивают на поддиапазоны, в каждом из которых рассчитывают показатели вибрационной нагрузки.
В стандартах устанавливаются допускаемые средние квадратические значения внброускорения в третьоктавных полосах частот в диапазоне среднегеометрических частот 1 ... 80 Гц при различной продолжительности действия вибрации. Стандарт ИСО предусматривает оценку как гармонической, так и случайной вибрации. Аналогичный подход к нормированию вибрации использован в ГОСТ 12.1.012 - 90 «Вибрационная безопасность. Общие требования», положения которого являются основой определения критерия и показателей плавности хода автомобиля. В качестве критерия плавности хода вводится критерий «безопасность», не допускающий нарушения здоровья человека-оператора (пассажира) [2].
Учитывая вышесказанное, и то, что колеса и подвеска автомобиля работают в тяжелейших условиях эксплуатации, можно сказать, что требования к подвеске автомобиля весьма противоречивы. С одной стороны, она должна быть очень мягкой, чтобы исключить отрыв колес от дорожного полотна при наезде на неровность. Колесо должно катиться по дефектам покрытия, а не подпрыгивать на них. И дело здесь не только в комфорте водителя и пассажиров. Мягкая подвеска обеспечивает практически постоянный контакт колеса с дорогой, что естественным образом влияет на динамику и тормозные свойства автомобиля, так как реже возникает проскальзование колеса, улучшается управляемость и намного эффективнее становится торможение.
С другой стороны, подвеска должна быть очень жесткой, чтобы не возникали опасные крены на поворотах, а также клевки, разгружающие переднюю или -заднюю оси автомобиля при разгоне и торможении. Важное значение имеет и геометрия подвески. Только у неподвижного автомобиля, стоящего на ровной поверхности, причем, правильно загруженного, колесо перпендикулярно дороге, и шина имеет оптимальное пятно контакта. Как только автомобиль начинает двигаться, колесо, естественно, начинает перемещаться при контакте с неровностями и, так как колесо через элементы подвески крепится к кузову, а не катится свободно, эти перемещения далеки от идеальной вертикали. Следствие очевидно: пятно контакта постоянно меняет свой размер. Создание независимой электронной подвески, встроенной в единую мультиплексную архитектуру, позволит не только в значительной степени повысить технико-эксплуатационные показатели системы подрессоривания, но и максимально использовать весь потенциал тормозной системы с электроприводом, тяговой системы, рулевой системы и т.д. [42].
Анализ информационных сетей автомобиля
Стремление к выработке единой глобальной архитектуры для автомобильных мультиплексных сетей является одной из самых актуальных задач. Мировая автоэлектронная промышленность объединяется как никогда, так как конкурентное противостояние привело к развитию множества стандартов, порой полностью несовместимых, что в значительной степени повлияло на снижение темпов внедрения передовых технологий в мировую автомобильную промышленность: стандарты 14/42 и 42 вольт, высокоскоростные оптико-волоконные системы коммуникации MOST (Media Oriented Systems), операционные системы OSER и автомобильный мультимедийный интерфейс, работающий по схеме «включай и работай», VAN (vehicle-area-network), ABUS (Automotive Bitserielle Schnittstelle), CAN (controller-area network), TTP (Timeriggered Protocol) и протоколов общества автомобильных инженеров SAE (Society of Automotive Engineers) J1850.
Как уже было отмечено выше и в [67] стандарты CAN и J1850 наиболее распространены и широко поддерживаются производителями автоэлектроники в мире. Отмечается увеличение применения протокола CAN, адаптированного международной организацией по стандартизации для высокоскоростных сетей в США. В 1994 году подкомитет SA по управлению грузовыми и легковыми автотранспортными средствами и связей (The SAE Truck and Bus Control and Communications subcommittee) выбрал CAN в качестве «фундамента» для стандарта J1939 [70] автомобильных сетей класса С. SAE определяет три отдельных класса протоколов: класс А, класс В, класс С.
Первое место в классификации SAE занимает класс А, характеризуемый самой низкой скоростью передачи данных по сравнению с другими классами. Обычно устройства, обслуживаемые информационными сетями класса А, можно разделить на две основных категории: устройства ввода информации (датчики и выключатели/переключатели) и устройства вывода информации (исполнительные устройства). Датчики собирают информацию с различных узлов и агрегатов автомобиля. Исполнительные устройства «реализуют в жизнь» команды, исходящие от выключателей/переключателей или формируемых на основе алгоритма в зависнмости от входных величин самими микроконтроллерами. Реализация и работа данных устройств может быть различной и зависит от конкретных условий эксплуатации и типа собираемой (исполняемой) этим устройством информации. Вводимая информация может быть представлена, как в цифровом (включено или выключено, открыто или закрыто, подъем или спуск), так и в аналоговом виде. Многие технические характеристики (критерии) сетей класса А также зависят от конкретного применения, причем наиболее важные характеристики в одном случае могут оказаться менее важными в другом. Однако, полезно оценить относительно наиболее важные критерии мультиплексных сетей класса А: надежность, электромагнитную совместимость и электромагнитное излучение, возможность диагностики узлов и шины, стоимость и влияние окружающей среды, а также возможность взаимосвязи как сетей одного класса, но работающих по разным протоколам, так и сетей различных классов. Более подробная информация, касающаяся этого вопроса, изложена в табл. 3 стандарта J2057-1 [71]. При этом необходимо отметить, что уже внедрение сетей класса А значительно уменьшает объем электропроводки автомобиля. Наиболее яркими представителями класса А стали два достаточно новых протокола LIN и ТТР/А.
Протокол ТТР/А — протокол для сети датчиков и исполнительных механизмов минимальной стоимости. Он бесшовно интегрируется с протоколом класса С - ТТР/С. Данная архитектура ТТА, получаемая в результате интеграции ТТР/А и ТТР/С, позволяет получить высоконадежную систему. При этом можно быть уверенным, что реакции узлов и агрегатов автомобиля на поступившие команды по мультиплексной сети архитектуры ТТА будут адекватными в соответствии с их временными свойствами [72].
Протокол LIN - достаточно недорогой низкоскоростной (от 1 до 20 килобит по последовательной мультиплексной шине) протокол класса А. Разработан для соединения выключателей, электродвигателей и датчиков в подсети, которые соединяются с основной шиной, обычно с CAN шиной. Замена автомобильных жгутов электропроводки на систему LIN оправдана при организации подсетей дверей, крыши, рулевой колонки, сидений, систем климат контроля автомобиля, прибор -163-ной панели и «интеллектуальных» стеклоочистителей. Например, жгут верхнихвыключателей в рулевой колонке - стеклоочистители, ближний и дальний свет (иногда габариты), сигналов поворота, звуковых сигналов и управление «круиз контроль» - могут быть соединены одним проводом по средством цифровой обработки информации в LZN шине. LIN, не проектировался специально для автотранспортного применения и также применяется в промышленной электронике [73].
Второй класс SAE определило как класс В, поддерживающий средний скоростной режим передачи данных (от 10 до 125 Кбит/с). В задачи протоколов класса В не входит организация взаимодействия узлов и агрегатов, а также управление ими в реальном режиме времени. Применение протоколов класса В может устранить значительное количество датчиков и других систем, обеспечивающих передачу данных между узлами. Основные системы, работающие посредством мультиплексных шин (сетей) класса В приведены на рис. 4.5. Стоимость же одного узла класса В может колебаться в пределах 5 долларов США за узел. Наиболее популярными протоколами этого класса являются протоколы, описываемые стандартом J1850. Сегодня разработчики стремятся снизить стоимость приблизительно до 2 долларов за узел. Для протоколов стандарта Л 850 характерна открытая архитектура, низкая стоимость, одноуровневая топология шины. Стандарт поддерживает два основных протокола: J1850 PWM (41,6 Кбит/с.) и J1850 VPM (10,4 Кбит/с). Стандарт J1850 был официально принят обществом SAE 1 февраля 1994 года как стандарт автомобильной мультиплексной сети класса В. Сегодня сети, работающие по стандарту Л 850, устанавливаются на различной продукции автотранспортной промышленности [74].
Похожие диссертации на Тормозная система с электроприводом, интегрированная в мультиплексную архитектуру электрооборудования автомобиля
