Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1. Анализ работ по исследованию и методам расчета выходных показателей тормозных систем с гидравлическим приводом 11
1.1.1. Анализ работ по исследованию рабочих процессов и методам расчета гидравлического тормозного привода 12
1.1.2. Анализ работ по определению выходных параметров и оценке стабильности различных типов тормозных механизмов 16
1.2. Анализ работ по исследованию устойчивости и эффективности торможения автомобилей .21
1.3. Анализ работ по исследованию влияния регулирования тормозных сил на эффективность торможения и устойчивость автомобилей 35
1.4. Цель и задачи исследования 43
2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ ВЫХОДНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТОРМОЗНЫХ СИСТЕМ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ТОРМОЗНЫМ ПРИВОДОМ 47
2.1. Математическая модель гидравлического тормозного привода 47
2.2. Исследование на ЭЦВМ динамических процессов гидравлического тормозного привода 55
2.3. Математические модели основных типов колесных тормозных механизмов, применяемых на автомобилях с гидравлическим тормозным приводом 68
3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТОРМОЖЕНИЯ 80
3.1. Математическая модель для исследования процесса торможения автомобиля 82
3.2. Методика моделирования на ЭЦВМ процесса торможения автомобиля 92
3.3. Результаты расчетного исследования динамики торможения и их анализ 97
3.4. Исследование влияния типа применяемых тормозных механизмов, а также основных конструктивных характеристик короткобазных автомобилей с гидроприводом тормозов на допустимый интервал нестабильности коэффициента трения между рабочими поверхностями тормозных механизмов 129
3.4.1. Постановка задачи. Разработка алгоритма решения 129
3.4.2. Основные результаты и анализ расчетных исследований 135
3.5. Выводы по главе 142
4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ И ЭФФЕК
ТИВНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОРМОЗНЫХ СИЛ 144
4.1. Постановка задачи оптимального управления процессом торможения автомобиля 145
4.2. Краевая задача оптимального управления процессом торможения автомобиля 151
4.3. Об алгоритме решения двухточечной краевой задачи оптимального управления торможением автомобиля 158
4.4. Методика и результаты расчетного исследования целесообразности и эффективности регулирования тормозных сил на короткобазных автомобилях с гидроприводом тормозов 163
4.5. Выводы по главе 177
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТОРМОЖЕНИЯ 178
5.1. Условия проведения и программа экспериментального исследования 181
5.1 1. Условия проведения испытаний 181
5.1.2. Программа экспериментального исследования.. . 182
5.2. Комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры...,186
5.2.1. Регистрируемые параметры и первичные измерительные устройства при стендовых испытаниях 189
5.2.2. Регистрируемые параметры и первичные измерительные устройства при дорожных испытаниях 189
5.3. Результаты и анализ экспериментальных исследований 191
5.3.1. Результаты стендовых испытаний 191
5.3.2. Результаты и анализ экспериментального исследования динамики торможения автомобиля с серийной и опытными тормозными системами (без регулятора тормозных сил) 193
5.3.3. Результаты и анализ экспериментального исследования динамики торможения автомобиля с опытной тормозной системой и регулятором тормозных сил 205
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 211
ЛИТЕРАТУРА 214
ПРИЛОЖЕНИЯ 229
- Анализ работ по исследованию и методам расчета выходных показателей тормозных систем с гидравлическим приводом
- Математическая модель гидравлического тормозного привода
- Методика моделирования на ЭЦВМ процесса торможения автомобиля
- Постановка задачи оптимального управления процессом торможения автомобиля
- Программа экспериментального исследования..
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда КПСС в одиннадцатой пятилетке предусмотрен дальнейших рост выпуска автомобилей всех типов и назначений. Одновременно с увеличением парка автомобилей должны улучшаться их качественные и эксплуатационные показатели.
Одним из направлений совершенствования структуры подвижного состава является производство высокоманевренных автомобилей, предназначенных для эксплуатации как в условиях насыщенных городских транспортных потоков, так и в условиях бездорожья. Учитывая, что одним из наиболее существенных факторов, оказывающих влияние на маневренность автомобиля, является соотношение его базы и колеи, можно отметить наметившуюся тенденцию к выпуску автомобилей с укороченной базой; кроме этого, стремление в этих условиях сохранить грузоподъемность автомобиля приводит к увеличению его высоты центра масс.
Рост интенсивности дорожного движения выдвигает на первый план необходимость обеспечения активной безопасности этих автомобилей, улучшения их тормозных качеств. Проблема улучшения тормозных качеств имеет особое значение для короткобазных автомобилей с гидравлическим тормозным приводом, так как это в своем большинстве легковые либо малые грузовые автомобили, имеющие высокие скорости движения.
Вопросам динамики торможения, расчета и проектирования тормозных систем посвящены работы В.П.Автушко, Д.А.Антонова, Ю.Б.Беленького, А.С.Брыкова, Н.А.Бухарина, Б.Б.Генбома,Б.В.Голь-да, А.Б.Гредескула, Л.В.Гуревича, В.А.Иларионова, Г.М.Косолапо-ва, А.С.Литвинова, А.Ф.Мащенко, Р.А.Меламуда, Н.Ф.Метлюка, Б.И.Морозова, Я.М.Певзнера, В.А.Петрова, М.А.Петрова, И.К.Пче-лина, А.А.Ревина, В.Г.Розанова, В.М.Скутнева, Б.Ф.Фалькевича,
Я.Е.Фаробина, А.С.Федосова, А.К.Фрумкина, Е.А.Чудакова, M.Bur-ckharcH:, J.ELs^E Gtasner, Riistev,Hr3.Weu, 1С. Rompe и других отечественных и зарубежных ученых.
Выполненные исследования позволили определить наиболее эффективные пути улучшения тормозных качеств автомобилей, наметить новые перспективные направления совершенствования тормозных систем, в частности получили развитие работы по проти-воблокировочным системам, по применению различных устройств для регулирования тормозных сил; работы, направленные на улучшение выходных параметров тормозных систем; работы по исследованию влияния различных возмущающих факторов на устойчивость автомобиля при торможении.
Вместе.с тем, в известных работах практически не рассмотрены вопросы динамики торможения короткобазных автомобилей с гидравлическим тормозным приводом, недостаточно изучены основные конструктивные факторы, влияющие на тормозные качества этих автомобилей, хотя, как показывает опыт их эксплуатации, эти автомобили в силу ряда своих конструктивных особенностей, и в первую очередь, сравнительно малого соотношения базы и колеи, высоко расположенного и смещенного вперед центра масс по сравнению с другими автомобилями такого же класса (табл.1), имеют большую склонность к заносу при торможении.
В связи с вышеизложенным, основной задачей данной диссертационной работы явилось определение возможных путей улучшения тормозных качеств короткобазных автомобилей с гидравлическим тормозным приводом и, прежде всего, повышение их устойчивости против заноса в процессе торможения.
Решение поставленной задачи предопределило необходимость проведения комплексного исследования влияния на динамику торможения рассматриваемых автомобилей выходных показателей их
Тавлица /
Основные конструктив/чью характеристики короткобазных автомобилей с гидравлическим ТОРМОЗНЫМ приводом
Высота центра масс
Колея передних колес в,,м
Колея задних колес
В2, И
Полная масса
IVa,KP
Налипне регулятора ТОРМОЗНЫХ.
Принятые сокращения: первая выква-тип тормозного механизма ('С'- вараваннь/^ с активное и пассивной колодками; А - Бараваннь/ії с двумя активными колодками; /7-вараваннь/и' с двумя пассивными колодками; Д-дисковый без самоусиления); вторая єуква- тил опоры колодок (77- плавающая; ф - Фиксированная). j
Для сравнения с конструктивными характеристиками коротко б аз нь/х автомовилеи. тормозных систем, весовых и геометрических параметров, целесообразности и эффективности регулирования тормозных сил.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по улучшению тормозных качеств короткобазных автомобилей с гидравлическим тормозным приводом.
Данная работа выполнялась по тематике Минавтопрома (тема № 50.80-36/45 1980 г.), заказу Луцкого автомобильного завода Производственного объединения АвтоЗАЗ (хозяйственный договор № 1014-80 между ШИ и Луцким автозаводом).
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения.і В первой главе выполнен анализ работ по иссле- дованию и методам расчета выходных показателей тормозных систем с гидравлическим тормозным приводом, работ по устойчивости и эффективности торможения автомобилей, а также целесообразности и эффективности регулирования тормозных сил. Здесь же сформулированы цель и задачи исследования.
Вторая глава включает теоретическое исследование динамики гидропривода, математическое описание различных типов колесных тормозных механизмов, устанавливаемых на автомобили с исследуемым тормозным приводом. Приводятся полученные с помощью составленной математической модели и выполненных расчетов на ЭЦВМ функциональные зависимости нарастания давлений в колесных тормозных цилиндрах исследуемого гидропривода. Результаты расчетов представлены в удобном для дальнейшего использования виде.
Третья глава посвящена теоретическому исследованию динамики торможения короткобазных автомобилей с гидравлическим тормозным приводом (в дальнейшем - с гидроприводом тор- мозов). Для проведения необходимых исследований в данной главе составлена математическая модель и разработана расчетная методика, позволяющие оценить влияние на тормозные качества автомобиля его основных весовых и геометрических параметров, характеристик тормозного привода и колесных тормозных механизмов. Проведенные исследования позволили сделать вывод о целесообразности применения на рассматриваемых автомобилях тормозных механизмов без самоусиления, определить рациональное соотношение тормозных сил между колесами переднего и заднего мостов. В этой же главе разработана расчетная методика оценки влияния ряда конструктивных параметров автомобиля на величину допустимого интервала нестабильности коэффициента трения между рабочими поверхностями тормозных механизмов. Выполненные с помощью разработанной методики исследования дали возможность определить допустимый интервал нестабильности коэффициента трения между рабочими поверхностями различных типов тормозных механизмов, применяемых на ко-роткобазных автомобилях с гидроприводом тормозов.
Четвертая глава включает в себя теоретическое исследование целесообразности и эффективности регулирования тормозных сил на короткобазных автомобилях с гидроприводом тормозов. С целью проведения необходимых исследований выполнена постановка и разработана математическая модель поставленной задачи оптимального управления процессом торможения автомобиля. На основании разработанной математической модели с помощью предложенного алгоритма на ЭЦВМ получен закон оптимального изменения давления в заднем контуре тормозного привода и соответствующее ему значение минимально возможного тормозного пути автомобиля. Сформулирована мера оценки эффективности регулирования тормозных сил и с ее помощью определена целесообразность регулирования тормозных сил на короткобазных автомобилях с гидроприводом тормозов, имеющих раз- личные весовые и геометрические показатели.
В пятой главе изложена программа-методика экспериментального исследования, приведено описание опытных тормозных систем, комплекса измерительно-регистрирующей аппаратуры, использованного при проведении испытаний. Даны результаты и выполнен анализ полученных экспериментальных данных.
В заключении представлены основные результаты выполненных исследований.
Выполненная работа является составной частью исследований по совершенствованию тормозных систем отечественных автомобилей, выполняемых на кафедре "Автомобили" и Проблемной лаборатории автомобилей Белорусского политехнического института под руководством доктора технических наук, профессора Н.Ф.Метлюка.
Анализ работ по исследованию и методам расчета выходных показателей тормозных систем с гидравлическим приводом
В настоящее время известны два основных метода расчета параметров гидравлического тормозного привода, - статический расчет и динамический расчет. Целью первого метода является определение конструктивных параметров ряда элементов тормозного привода (диаметров главного и колесных тормозных цилиндров, статического коэффициента усиления применяемого усилителя тормозов, величины рабочего давления в приводе), обеспечивающих нахождение в пределах нормативных усилия на тормозной педали и ее хода при заданных показателях эффективности торможения транспортного средства. Такой методологический подход можно встретить в работах Н.А.Бухарина, Ю.Б.Беленького, Б.Б.Генбома и других ученых [4,9,12,69,73].
Для короткобазных автомобилей с гидравлическим тормозным приводом вопросы выбора параметров тормозной системы с помощью статического расчета разрабатывались Г.А.Путь [91,92].
Отметим, что при относительно простом и удобном представлении результатов статического расчета (так как усилие на органе управления достаточно легко выражается через усилие разжатия колодок) последний не дает ответы на некоторые важные вопросы, в частности неизвестна степень влияния характеристик каждого из элементов тормозного привода на величину суммарного запаздывания в нем, темп нарастания давлений в колесных тормозных цилиндрах.
Вместе с тем, исследование путей повышения устойчивости и эффективности торможения требует учета именно этих характеристик.
Выделенные особенности показывают необходимость учета динамики рабочих процессов гидропривода тормозов.
Исследованию динамических процессов в гидравлических приводах тормозных систем автомобилей посвящены работы В.П.Автушко, Ю.Б.Беленького, П.Л.Браильчука, А.Г.Денисова, А.К.Дручинина, В.В.Капустина, Ю.Ф.Козлова, Л.Е.Лаптева, Н.Ф.Метлюка, Б.И.Морозова и других ученых [1,6,28,32,42,44,49,67,68].
В работах Н.Ф.Метлюка и В.П.Автушко [1,67,68] исследован и систематизирован различный методологический подход к вопросам математического описания динамики рабочих процессов в гидравлических приводах тормозных систем автомобилей. Ими рассмотрены три типа математических моделей, применяемых для описания рабочих процессов в гидроприводах: модели, не учитывающей инерционные свойства рабочей жидкости, модели с сосредоточенными параметрами и модели с распределенными параметрами (упругостью, массой, сопротивлением). Выполненные расчетные и экспериментальные исследования позволили установить, что для описания процессов в гидроприводах тормозов автомобилей наиболее приемлемой является математическая модель с сосредоточенными параметрами.
Математическая модель гидравлического тормозного привода
Расчетное определение динамических характеристик гидравлического тормозного привода требует составления математической модели, адекватно отражающей реальные физические процессы, происходящие в рассматриваемом гидроприводе. Как отмечалось в первой главе, для гидропривода с относительно небольшой длиной магистралей, где можно пренебречь волновыми процессами в трубопроводах и высокочастотными колебаниями поршней в исполнительных цилиндрах, в основе такой модели может лежать модель сжимаемой жидкости, сосредоточенной в нескольких объемах малой протяженности [_1»68_] . На рис.2Л представлена принципиальная схема тормозной системы автомобиля. Пользуясь этой схемой, составим расчетную динамическую схему рассматриваемого гидропривода; она приведена на рис.2.2. Отметим ряд особенностей составленной расчетной схемы.
Во-первых, как показывает анализ конструкций тормозных систем исследуемого класса автомобилей, составленная расчетная схема имеет достаточно общий характер, так как практически на всех автомобилях применяется двухконтурный тормозной привод; при этом в качестве основного источника энергии выступает мускульная сила водителя, а дополнительного - гидровакуумный либо вакуумный усилитель.
Во-вторых, очевидно, что динамические процессы, происходящие в переднем и заднем контурах тормозного привода, описываются аналогичными математическими моделями. Отличие состоит лишь в численных значениях параметров гидропривода, функциональной зависимости входного воздействия be ( и учете динамической характеристики усилителя, включенного в передний контур. Все эти показатели задаются в качестве исходных данных для расчета.
class3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТОРМОЖЕНИЯ class3
Методика моделирования на ЭЦВМ процесса торможения автомобиля
В целях проведения необходимых расчетных исследований процесса торможения автомобиля по математической модели, приведенной в п.3.1, был разработан программный модуль, основное назначение которого - оценка тормозных качеств автомобиля путем "машинного эксперимента" на ЭЦВМ [38,8б]. Модуль выполнен на алгоритмическом языке ЇІЛ/І в операционной системе ДОС ЕС ЭВМ и позволяет расчетным путем, используя разработанную математическую модель, дать ответ на ряд вопросов, касающихся влияния быстродействия тормозного привода, типа и размеров колесных тормозных механизмов, характеристик шин, весовых и геометрических показателей автомобиля на тормозные качества последнего. Кроме этого, моделирование на ЭЦВМ позволяет рассматривать процесс экстренного и служебного торможения, а также оценивать курсовую и траєкторную устойчивость как на прямолинейной, так и криволинейной траектории.
Численное интегрирование системы дифференциальных уравнений (3.1), входящих в математическую модель, выполняется методом Рунге-Кутта четвертого порядка при помощи стандартной программы Ш[56Д20] .
Программный модуль для расчета процесса торможения автомобиля состоит из головной программы и семи подпрограмм, в которых соответственно выполняются: ввод, логический контроль и печать исходных данных; вычисление давлений в исполнительных элементах тормозного привода; вычисление тормозных моментов по колесам; вычисление боковых сил по колесам; вычисление правых частей системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс торможения автомобиля; печать заголовков таблиц; печать результатов вычислений.
Выполнение расчетов на ЭЦВМ с помощью данного модуля требует большого количества исходных данных, которые можно, в некоторой степени условно, подразделить на следующие группы: I) геометрические и весовые показатели автомобиля, а также параметры, характеризующие движение; 2) параметры, характеризующие тормозной привод, тормозные механизмы и колеса автомобиля; 3) ряд служебных величин (шаг и точность интегрирования, шаг печати результатов).
К показателям, входящим в первую группу, относятся: масса автомобиля и его момент инерции относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс; проекции расстояний от центра масс автомобиля до переднего и заднего мостов; проекции расстояний от центра масс автомобиля до передней и задней габаритных точек; колея передних и задних колес; ширина автомобиля по переднему бамперу и заднему габариту; высота центра масс автомобиля; коэффициент сцепления; угол поворота управляемых колес; начальная скорость, с которой производится торможение; величина бортовой неравномерности тормозных моментов; коэффициент, учитывающий падение сцепных качеств колеса с дорогой при блокировании последнего; коэффициент, позволяющий моделировать процесс служебного торможения; признак оценки траекторной и курсовой устойчивости Юи, (о нем будет сказано ниже).
class4 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ И ЭФФЕК
ТИВНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОРМОЗНЫХ СИЛ class4
Постановка задачи оптимального управления процессом торможения автомобиля
Рассмотрим систему дифференциальных уравнений (3.1), описывающих процесс торможения автомобиля. Очевидно, что первые три уравнения полностью определяют движение автомобиля, так как рассматриваемая система является системой с тремя степенями свободы представляющими собой компоненты вектора фазовых координат (переменные величины состояния системы). Дифференциальные уравнения (3.1) представляют собой закон изменения переменных состояния во времени. Задаваясь начальными условиями, а также законом изменения тормозных сил, интегрируя систему (3.1), можно определить траекторию движения автомобиля при торможении.
Вместе с тем, рассмотрение процесса торможения накладывает ряд специфических условий, конкретизация которых позволяет поставить задачу оптимального управления движением автомобиля при торможении [уо].
Для постановки задачи оптимального управления необходимо задать функцию управления (управляющее воздействие) и определить показатель качества системы [29,55].
Функцию управленияVJX)целесообразно задать, пользуясь следующими соображениями.
Система дифференциальных уравнений (3.1) является неавтономной системой. Неавтономность обусловлена тем, что каждое последующее состояние системы определяется не только вектором фазовых координат в предыдущий момент времени, но и самим моментом времени "Ь . Неавтономность системе придает переменный характер изменения тормозных сил во времени, который, в свою очередь, обусловлен функциональными зависимостями изменения давлений в переднем и заднем контурах тормозной системы автомобиля. Задаваясь тем или иным законом изменений давлений в исполнительных элементах, можно осуществлять управление процессом торможения автомобиля. Исходя из этого, функцию управления можно определить в соответствии с целями поставленной задачи.
Программа экспериментального исследования
Из соображений безопасности торможение на автомобиле с серийной тормозной системой со скорости 22,2 м/с не выполнялось.
С целью получения достоверных данных было выполнено планирование эксперимента, позволяющее при минимальном количестве опытов (контрольных торможений) получить необходимую доверительную точность получаемых результатов.
Требуемое количество контрольных торможений в каждом режиме проведения дорожных испытаний определялось аналогично [l0,II2]. Критерием достоверности полученных экспериментальных данных являлась величина суммарной погрешности, вычисляемая в виде суммы погрешностей, получаемых при обмере осциллограмм, и погрешностей записи [l2IJ .
Кроме этого, при планировании опытов задавалась величина надежности Н , которая представляет собой вероятность получения тех же результатов при повторении замеров. Для измерений, связанных с определением технических характеристик машин, вполне достаточна надежность Н = 0,9...0,95 [Ю].
Выполненное планирование эксперимента позволило на основании работ [_I0,42,II2J определить минимальное число опытов, которое для исследования процесса торможения автомобиля составляет П = б (приН = 0,95). Учитывая необходимость выполнения торможений попарно в противоположных направлениях [8IJ , в каждом режиме проведения дорожных испытаний проводилось по три контрольных торможения в противоположных направлениях.
После каждой серии торможений производился осмотр тормозных механизмов и оценка их технического состояния.
Торможения для каждого значения начальной скорости выполнялись до полной остановки автомобиля. Траектория движения автомобиля не корректировалась с помощью рулевого управления.
