Содержание к диссертации
Введение
1 Системы активной безопасности колёсных машин. средства и методы проверки правильности принимаемых при проектировании решений 14
1.1 Системы предотвращения юза колёс 17
1.2 Системы обеспечения курсовой устойчивости 41
1.3 Требования нормативов к условиям проведения испытаний 54
1.4 Типовые задачи в цикле проектирования колёсных машин с системами активной безопасности 58
1.5 Полигоны для испытаний автоматизированных тормозных систем 69
1.6 Методы моделирования при исследовании тормозных свойств колёсных машин
1.6.1 Физическое моделирование 74
1.6.2 Математическое моделирование 78
1.6.3 Основные недостатки классических методов моделирования с точки зрения исследования рабочих процессов автоматизированныхтормозных систем 86
2 Основные принципы виртуально-физического моделирования 87
2.1 Основные принципы синтеза виртуально-физических моделей для задач разработки автоматизированной тормозной 87
2.2 Модели класса «колесо» и рабочего процесса автоматизированных тормозных систем 2.2.1 Динамика затормаживания одиночного колеса 99
2.2.2 Взаимодействие колеса с дорогой в режиме торможения 108
2.2.3 Описание динамики тормозного привода 118
2.2.4 Модель тормозного механизма 125
2.2.5 Имитатор «ноги» эталонного водителя 126
2.2.6 Электрогидравлическая модель датчика АБС 127
2.2.7 Электронный имитатор датчика АБС 130
2.3 Математическое описание динамики автомобиля в режиме торможения и основные требования для реализации виртуально-физического моделирования (модели класса «шасси») 138
2.3.1 Описание динамики торможения двухосной колёсной машины... 138
2.3.1.1 Описание динамики движения управляемых колёс 146
2.3.1.2 Особенности торможения колёс моста автомобиля 152
2.3.1.3 Торможение колёс ведущего моста автомобиля 157
2.3.1.4 Торможение двигателем 162
2.3.2 Представление динамики торможения многоосных колёсных машин при виртуально-физическом моделировании 164
2.3.3 Особенности описания динамики торможения седельных автопоездов 168
2.3.4 Особенности описания динамики торможения прицепного автопоезда 172
3 Требования к элементной базе для реализации виртуально-физического моделирования 178
3.1 Принципы построения системы сбора данных и управления на базе IBM PC совместимых компьютеров 178
3.2 Подбор аналого-цифровых преобразователей в зависимости от решаемых задач 183
3.3 Принципы получения сигналов для обеспечения работы стендового оборудования 192
3.4 Построение программного обеспечения 194
3.5 Обеспечение точности и быстродействия при виртуально-физическом моделировании 203
3.6 Подбор производительности компьютера с учётом параметров расчёта математической модели 210
4 Особенности построения моделей класса «шас си+водитель» при виртуально-физическом модели ровании 217
4.1 Условия достоверного моделирования визуализации колёсной машины 217
4.2 Воспроизведение тактильного канала информации, воспринимаемой водителем 224
5 Примеры применения виртуально-физиче скогомоделирования для решения частных задач ... 230
5.1 Лабораторные исследования рабочих процессов элементов систем активной безопасности колёсной машины (пример решения задач класса «колесо») 230
5.2 Лабораторные исследования рабочих процессов полнокомплектных систем активной безопасности колёсной машины (пример решения задач класса «шасси») 243
5.3 Реализация моделирования процесса торможения на основе применения имитационного стенда-тренажёра (пример решения задач класса «шасси+водитель»)
2 5.3.1 Программное обеспечение имитационного стенда-тренажёра... 257
5.3.2 Некоторые результаты исследования рабочих процессов АБС при использовании виртуально-физического моделирования 258
5.4 Исследование влияния рабочих процессов АБС на самоповорот управляемых колёс в режиме торможения в лабораторных условиях... 265
5.4.1 Методика проведения экспериментального исследования 265
5.4.2 Определение приведённой жёсткости рулевого управления 269
5.4.3 Определение приведенного демпфирования рулевого управления 270
5.4.4 Определение момента инерции дополнительных масс 273
5.4.5 Влияние приведённой жёсткости рулевого управления на самоповорот управляемых колёс 274
6 Верификация при моделировании рабочих процессов колёсных машин с автоматизированными системами 284
6.1 Оценка адекватности при моделировании тормозной динамики колёсных машин с автоматизированными тормозными системами 284
6.2 Оценка адекватности при стендовых и дорожных испытаниях 291
6.3 Оценка точности результатов измерений 300
7 Методика виртуально-физического моделирования в цикле проектирования автомати зированных тормозных систем 303
7.1 Общая и частная методики виртуально-физического моделирования встроенных систем управления 303
7.2 Методика проведения работ при виртуально-физическом моделировании 306
Заключение 321
Список литературы
- Полигоны для испытаний автоматизированных тормозных систем
- Описание динамики тормозного привода
- Построение программного обеспечения
- Лабораторные исследования рабочих процессов полнокомплектных систем активной безопасности колёсной машины (пример решения задач класса «шасси»)
Введение к работе
Актуальность темы. Состоит в необходимости ускорения процесса проектирования высокоскоростных колесных транспортных средств с автоматизированной тормозной системой, отвечающих требованиям мирового уровня в части повышения их активной безопасности, и разработки новых перспективных технологий доводочных испытаний. Регламентирующими документами планируется введение альтернативной методики проведения испытаний и сертификации систем курсовой устойчивости основанной на принципах виртуально-физической технологии моделирования. В настоящее время все транспортные средства, оснащаемые АБС, должны соответствовать требованиям Приложения №13 к Правилам 13 ЕЭКООН, в которых указано на необходимость обеспечения устойчивости и управляемости в режиме торможения на дорогах с поперечной неравномерностью коэффициента сцепления (сухой асфальтобетон / мокрый асфальтобетон, сухой асфальтобетон / лед и т.п.). Такие испытания проводятся на специальных дорогах единственного в стране центрального автополигона ЦНИИАМТ ФГУП НАМИ, что обуславливает большие временные потери и трудовые затраты, а также повышенную опасность проведения испытаний, т.к. скорость начала торможения по условиям проведения испытаний должна достигать 80 % от максимальной скорости транспортного средства. Сложившаяся ситуация ставит в сложные условия производителей автомобилей, т.к. автозаводы, а также НИИ и КБ не обладают (а в обозримом будущем и не смогут обладать) подобными участками дорог со специальным покрытием главным образом по причине их значительной стоимости. Вместе с тем, применительно к задаче оснащения колесной машины автоматизированными системами, наиболее острым становится вопрос выявления ошибок на ранних стадиях проектирования, поскольку одной из причин возникновения существенного скачка затрат, является то, что при проектировании качественно нового изделия конструкторы и технологи предъявляют различные требования. Для ускорения процесса проектирования целесообразным является осуществление параллельной работы конструкторов и технологов над разработкой изделия. Однако, существующее штатное стендовое оборудование для проверки тормозных свойств автомобилей (барабанные, роликовые, площадочные и др. типы стендов) не способно решать новые задачи и имеет высокую стоимость (стенды классических типов создаваемые фирмой MTS Systems свыше 10 млн. долл.). Выходом из создавшейся ситуации является совершенствование стендового оборудования и методов испытаний, которые в рамках доводочных испытаний позволяют получить необходимую информацию о разработанной системе, оценить эксплуатационные свойства автотранспортного средства с САБ в режиме торможения, выбрать оптимальную структуру управления тормозами (схему установки) и
отработать технологические решения. Управление траекторией автотранспортного средства с САБ в режиме экстренного торможения имеет свою специфику.
Изложенное выше позволяет сделать вывод об актуальности создания Виртуально-физической технологии моделирования систем активной безопасности транспортных средств.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
-
Грант Президента Российской Федерации для поддержки молодых ученых - кандидатов наук «Разработка технологии и методики проведения комплексных испытаний автоматизированных тормозных систем колсных транспортных средств» МК-9265.2006.8 (№ 9/755-06).
-
Научно-техническая программа «Научные направления высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограмма 205 Транспорт, раздел научно-технической программы 205.03 Наземные транспортные средства, тема 205.03.01.14 «Разработка стенда-тренажера для испытания автомобилей с АБС в режиме торможения», № 9-53/63-01 (ВолгГТУ), 2001-2002 г., Номер государственной регистрации 01200109544.
-
Научно-техническая программа «Научные направления высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограмма 205 Новые авиационные, космические и транспортные технологии, раздел научно-технической программы 205.03 «Экологически чистый и высокоскоростной наземный транспорт», тема 205.03.01.001 «Разработка методики проведения комплекса доводочных испытаний автоматизированных тормозных систем автомобилей с использованием имитационных стендов-тренажеров», № 9-53/330-03 (ВолгГТУ) 2003-2004 г., Номер государственной регистрации 01200310967.
4. Межотраслевая программа сотрудничества Минобразования России и ОАО
«АВТОВАЗ» проект 03.02.004. «Разработка методики построения имитационных
стендов-тренажеров для проведения виртуальных лабораторных испытаний автома
тизированных тормозных систем автомобилей семейства «АвтоВАЗ»
2004 г.
-
Грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук, транспортные науки, «Разработка физико-механических основ диагностических признаков тормозной системы автомобиля с АБС» 1999-2000 г.
-
Грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук, транспортные науки, «Разработка физико-механических основ повышения надежности элементов шасси автомобиля с АБС в режиме торможения» 2001-2002 г.
-
Грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук, раздел:
транспортные науки, «Выбор параметров обратной связи по тормозному усилию между звеньями автопоезда при существенной нестационарности тормозных моментов на колесах тягача» № Т02-13.0-48, 2003-2004 г.
Цель работы: Создание виртуально-физической технологии моделирования позволяющей исследовать рабочий процесс систем активной безопасности автотранспортных средств и их эксплуатационные свойства в режиме торможения на стадии проектирования и производства для повышения качества, сокращения сроков и экономии ресурсов.
Для достижения цели работы необходимо решение следующих задач исследования:
-
Провести анализ конструктивных решений систем активной безопасности и их рабочих процессов, для выявления «критических» элементов;
-
Рассмотреть дорожные условия и требования к оснащению полигонов для проведения тормозных испытаний автотранспортных средств с системами активной безопасности;
-
Проанализировать возможности существующих стендов и установок для лабораторных испытаний при проведении доводочных испытаний АТС в режиме торможения;
-
Установить «типовые» задачи, решаемые при проектировании и в процессе испытаний автоматизированных систем активной безопасности автомобиля и на этой базе разработать принципы построения основных «классов» виртуально-физических моделей;
-
Обосновать принципы выделения физического объекта, применительно к режиму торможения автотранспортных средств (что должно быть физическим объектом, а что можно моделировать математическими зависимостями);
-
Выявить критерии подбора средств, для решения соответствующих типовых задач;
-
Провести верификацию обеспечения адекватности протекающих процессов при виртуально-физическом моделировании;
-
Развить основные классы математических моделей автотранспотрных средств с АБС применительно к задачам проведения Виртуально-физических испытаний;
-
Реализовать опытные образцы и установки под конкретные задачи испытаний;
-
Выработать критерии оценки эффективности применения автоматизированных устройств систем активной безопасности автомобиля при использовании виртуально-физической технологии моделирования.
Объект исследования. Автотранспортные средства, оборудованные антиблокировочной и системой динамической стабилизации.
Квалификационная формула работы.
Диссертационная работа является самостоятельной завершенной научной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены положения, которые можно квалифицировать как совокупность научно обоснованных технических решений, заключающихся в обосновании и разработке основных принципов повышения качества испытаний систем активной безопасности автомобилей на основе применения Виртуально-физической технологии моделирования.
Полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при адаптации систем активной безопасности и проведении испытаний в заданных дорожных условиях, а также при выборе их основных параметров и технических решений на стадии проектирования.
Внедрение изложенных научно обоснованных технических решений вносит значительный вклад в решение народно-хозяйственных и социальных задач страны, а также в повышение ее обороноспособности.
Научная новизна.
-
Разработана методология альтернативных испытаний и технология создания лабораторных комплексов для проведения испытаний систем активной безопасности автотранспортных средств в соответствии с отечественными и международными нормативными требованиями, отвечающая альтернативной методике, планируемой к введению на территории РФ с 2016 г.
-
Созданы принципы исследования рабочих процессов систем активной безопасности автотранспортных средств и их эксплуатационных свойств в режиме торможения методами Виртуально-физической технологии моделирования, которая в отличие от других методик обладает повышенной гибкостью.
-
Виртуально-физическая технология позволяет проводить испытания и адаптировать к шасси коммерческие блоки САБ с собственной закрытой логикой по принципу «чрного ящика», а также разрабатывать и рационализировать новые алгоритмы работы.
-
Разработаны и отлажены оригинальные средства реализации, позволяющие проверять и рационализировать совместимость компонентов систем активной безопасности различных фирм производителей.
-
Для повышения эффективности проведения доводочных испытаний и ускорения процесса проектирования предлагается основную часть исследований тормозных свойств АТС проводить в лабораторных условиях методом Виртуально-физической технологии моделирования, позволяющей проводить проверку правильности принятых решений на каждом этапе проектирования на основе использования V-цикла проектирования.
-
Выполнена систематизация и определены критерии подбора средств реализации
предложенного лабораторного метода испытаний, а также разработаны критерии выбора этих средств, в отличие от других зарубежных разработок, позволяющие не привязываться к конкретным фирмам производителям.
-
Уточнены реализуемые на установках математические модели, учитывающие полноприводные варианты компоновки машин, связь затормаживаемых колес через дифференциал, включая режим торможения двигателем, влияние гироскопического момента на изменение нормальных нагрузок управляемых колес в процессе их самоповорота при торможении автомобиля с АБС. Предложена методика учета изменения коэффициента трения накладок применительно к режимам движения с АБС, обусловленная рабочим процессом функционирования, на изменение температуры и коэффициент трения накладок.
-
Разработанная технология позволяет безопасно, в условиях лаборатории оценить живучесть системы активной безопасности, имитируя отказы компонентов и оценивая поведение автомобиля в целом при максимальном приближении стендовых испытаний к реальным.
На защиту выносятся: новый научный подход к решению проблемы повышения качества испытаний систем активной безопасности автомобилей на основе применения Виртуально-физической технологии моделирования.
-
Методика построения и средства реализации лабораторных имитационных стендов в соответствии с классами моделей в зависимости от решаемых задач, использующих методы виртуально-физической технологии моделирования для режима доводочных испытаний автомобиля с системой активной безопасности, доработанная математическая модель.
-
Имитационные стенды для проведения доводочных испытаний систем активной безопасности.
-
Результаты имитационного моделирования.
-
Условия и режимы проведения доводочных испытательных работ с использованием V цикла на имитационном стенде, которые позволяют в полной мере учесть требования регламентов к системам активной безопасности.
-
Лабораторный метод проведения доводочных испытаний систем активной безопасности, позволяющий учитывать режим корректирования траектории движения автомобиля водителем, в процессе торможения, предусмотренное нормативными требованиями.
Достоверность результатов. Разработанные методики основываются на фундаментальных положениях физики, теоретической механики и математики, а также на использовании апробированных методов имитационного математического моделирования. Выводы теоретического анализа подтверждаются хорошим совпадением с результатами модельных и натурных экспериментов.
Теоретическая значимость результатов работы.
-
Созданы принципы альтернативных испытаний и исследования рабочих процессов систем активной безопасности автотранспортных средств и их эксплуатационных свойств в режиме торможения методами Виртуально-физической технологии моделирования, которая в отличие от других методик обладает повышенной гибкостью.
-
Выполнена систематизация и определены критерии подбора средств реализации предложенного лабораторного метода испытаний (в условиях максимально приближенных к реальным), а также разработаны критерии выбора этих средств, в отличие от других зарубежных разработок, позволяющие не привязываться к конкретным фирмам производителям.
-
Уточнены реализуемые на установках математические модели, учитывающие полноприводные варианты компоновки машин, связь затормаживаемых колес через дифференциал, включая режим торможения двигателем, влияние гироскопического момента на изменение нормальных нагрузок управляемых колес в процессе их самоповорота при торможении автомобиля с АБС. Предложена методика учета изменения коэффициента трения накладок применительно к режимам движения с АБС, обусловленная рабочим процессом функционирования, на изменение температуры и коэффициент трения накладок.
Практическая значимость результатов работы.
Применение стендов реализованных на основе виртуально-физической технологии моделирования позволят:
1) осуществлять испытания, как натурных образцов систем активной безопас
ности, так и провести отработку алгоритмов и схем установки вновь создаваемых;
-
проводить сертификационные испытания систем активной безопасности автотранспортных средств по альтернативной методике, планируемой к введению на территории РФ с 2016 г.;
-
вести контроль и проверку качества автоматизированных тормозных систем поставляемых на конвейер, что позволит повысить эффективность производства и контрольно-измерительных и испытательных операций.
Реализация результатов работы. В процессе выполнения работ при поддержке министерства по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограммы «Транспорт» на 2001-2002 г. (Тема 205.03.01.14) «Разработка стенда – тренажера для испытания автомобиля с АБС в режиме торможения», был разработан макет имитационного стенда-тренажера.
Создан макет стенда для испытания автомобильных АБС в условиях максимально приближенных к реальным, с учетом корректирующих действий водителя по направлению курсового движения, в соответствии с заданием НТП «Транспорт» на 2000-2002 гг.
Совместно с итальянской исследовательской группой по динамике шасси автомобиля (по инициативе Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Torino (Туринский политехнический институт) г. Турин Италия) реализованы стенды (использующие разработанные в ВолгГТУ принципы комплексной технологии моделирования) в лаборатории кафедры Механики Туринского политехнического института, и проведены испытания систем активной безопасности и электрогидравлической тормозной системы (Electro-Hydraulics breaking system EHB) (стенд создан на базе узлов тормозной системы выпускаемых фирмами Alfa Romeo, Bosch, Bendix, Magneti Marelli, TRW, при поддержке FIAT Auto Италия).
Используются в учебном процессе при подготовке инженеров на кафедре СМ-10 «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Материалы диссертационного исследования являются частью отчетов по программам:
НТП «Научные направления высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограмма 205 Транспорт;
НТП «Научные направления высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограмма 205 Новые авиационные, космические и транспортные технологии;
Межотраслевая программа сотрудничества Минобразования России и ОАО «АВТОВАЗ»;
Грант Президента Российской Федерации для поддержки молодых ученых -кандидатов наук;
3-х грантов по фундаментальным исследованиям в области технических наук, транспортные науки.
Личный вклад автора. Автор самостоятельно сформировал общую концепцию исследования и получил основные результаты диссертационной работы. Автор предложил и разработал теоретические основы для исследования систем активной безопасности автомобиля используя разработанную виртуально-физическую технологию моделирования. Компьютерные модели Simulink и стенды для исследования алгоритмов систем активной безопасности созданные на базе узлов тормозной системы выпускаемых фирмами Alfa Romeo, Bosch, Bendix, Magneti Marelli, TRW, при поддержке FIAT Auto Италия разработаны совместно с сотрудниками итальянской исследовательской группы по динамике шасси автомобиля (по инициативе Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Torino г. Турин Италия)
Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались: на внутривузовских научных конференциях МАДИ (ГТУ) 2005; на научных семинарах МГТУ им. Н. Э. Баумана: посвященном 70-летию кафедры «Колесные машины» в ноябре 2006 г.; на международных конференциях Ассоциации Автомобильных Инженеров: 54-й в июне 2006 г. и 61-й в июне 2008 г., в декабре 2009 г., 70-й в июне 2010 г., 78-й в июне 2012 г., 79-й в сентябре 2012 г., а также на внутривузовских и международных конференциях и семинарах в ВолгГТУ, НГТУ, кафедре «Автомобили и тракторы» МАМИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 научно-технические работы, в том числе 2 монографии, 18 статей в журналах из списка, рекомендованного ВАК при защите докторских диссертаций.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и списка использованных источников, содержащего 161 наименование, в том числе 48 зарубежных и приложений. Содержание изложено на 410 с. текста, включая 237 рисунков и 53 таблицы.
Полигоны для испытаний автоматизированных тормозных систем
Такое широкое и уже обязательное для ряда категорий автотранспортных средств, применение АБС обусловлено их основными свойствами: способностью сокращать тормозной путь (особенно на скользких поверхностях до 20 %), сохранять устойчивость и управляемость автомобиля при движении и торможении на различных поверхностях, включая дороги с поперечной неравномерностью коэффициента сцепления. Последние, в регламентирующих документах получили название «микст» от английского «смешивать».
Статистические данные показывают, что применение АБС позволяет уменьшить число ДТП на 7 % [35]. При этом экономическая выгода заключается в снижении материального ущерба (на 14 %), повышении производительности, а также в предоставлении скидок при страховании перевозок и снижении затрат на шины из-за уменьшения их износа (на 6-10 %) [9].
Законодательные органы различных стран побуждают производителей автомобилей заниматься установкой АБС. Так, введение «Федерального стандарта по безопасности автотранспортных средств» №121 (FMVSS 121 «Системы пневматических тормозов») стало в США серьёзным стимулом развития антиблокировочных систем пневматических тормозов автобусов и грузовых автомобилей [163, 164]. В Западной Европе действуют два международных регламентирующих документа: Директива 71/320 стран ЕЭС и Правила ЕЭК ООН №13, регламентирующие сроки установления АБС на все категории АТС (пока кроме легковых автомобилей). В соответствии с этими регламентирующими документами с 1 октября 1991 года на территории стран ЕЭС была запрещена эксплуатация автомобилей категории N3 (грузовые с полной массой более 16 т) и МЗ (междугородные автобусы с полной массой более 12 т), а также прицепов и полуприцепов категории 04 (полной массой более 10 т). В Японии эти требования вступили в силу с 1992 года, в США - с 1993. Поскольку на территории России вышеуказанные документы действуют уже с ноября 1989 года, российскому автомобилестроению уже приходится (и придётся в будущем) решать задачи, связанные с внедрением АБС на отечественные автомобили.
Среди более чем трёх десятков фирм, занимающихся производством АБС можно выделить несомненных лидеров: Bosch, Continentaleves, Wabco, Knorr-Bremse, TRW, Denso, Delphi и т.д. В России серьёзные работы над созданием АБС ведутся с начала 70-х годов.
В настоящее время некоторые легковые отечественные автомобили (Лада Калина, Приора, Гранта) могут быть оснащены АБС. С грузовыми автомобилями и автобусами ситуация другая, поскольку принятие нормативных требований вынудило производителей применять системы АБС на выпускаемой продукции.
Доказанная эффективность системы АБС привела к тому, что сегодня она уже устанавливается на тракторы New Holland. Таким образом, сфера применения автоматизированных тормозных систем на различных колёсных машинах растёт [52].
Анализ показывает, несмотря на огромное разнообразие запатентованных конструкций антиблокировочных систем и их агрегатов доведённые до промышленного изготовления системы конструктивно близки: датчики частоты вращения колёс, исполнительные механизмы, электронный блок управления [5, 95, 106, 118, 151, 152, 154, 161,162, 168, 170, 171, 172, 173, 175, 176, 180, 182].
Единство задач и объекта регулирования определяет наличие в рассматриваемой системе функциональных структур и узлов, служащих аналогичным целям. К таким структурам, прежде всего, относится исполнительный механизм с приводом, реализовывающий непосредственное регулирование тормозного момента; датчики состояния функциональных систем автомобиля, контролирующие изменение того или иного параметра, и блок управления, формирующий команды управления на основе поступающей информации.
Основным направлением разработки АБС в настоящее время является реализация блоков управления на электронной элементной базе с целью создания наиболее верных алгоритмов функционирования, способных к максимальной адаптации к эксплуатационным условиям и обладающих высокими показателями быстродействия. Для наилучшего сочетания эффективности торможения и устойчивости автомобиля необходимы системы с обратной связью (подавляющее большинство систем, решено на основе схемы с обратной связью).
Величина момента на выходе тормозного механизма, в отличие от традиционных тормозных систем, определяется суммарным воздействием со стороны водителя и исполнительного механизма АБС, включённого в тормозной привод. При этом, как правило, максимальная величина тормозного момента зависит от усилия воздействия водителя на педаль, а полученные значения момента в диапазоне от нуля до Мт мах - от управляющего действия исполнительного механизма АБС.
Описание динамики тормозного привода
Участок БВ характеризует этап снижения тормозного момента до значения, когда он становится меньше момента по сцеплению, что обуславливает начало разгона колеса, сопровождающийся уменьшением проскальзывания. Завершается процесс растормаживания в точке Е, после чего начинается новая фаза затормаживания колеса ЕА и цикл повторяется.
Для выявления некоторых особенностей рабочего процесса затормаживания колеса обратимся к традиционным временным диаграммам, связывающим между собой основные контролируемые параметры: угловую скорость колеса cok , линейную скорость оси колеса (скорость автомобиля) V, производную от угловой скорости Й)Л, и тормозной момент Мт. Эта диаграмма представлена на рисунке 2.9. В качестве примера взят алгоритм с регулированием по величине порогового замедления (ускорения) колеса а „.
Процесс протекает следующим образом. Рост тормозного момента в начале торможения приводит к появлению отрицательного значения производной от угловой скорости колеса и, следовательно, способствует уменьшению самой угловой скорости. При обычном способе торможения юзом тормозной момент возрастает до величины Мттах, определяемой максимальным значением усилия воздействия водителя на тормозную педаль (пунктирная линия). Момент блокировки колеса при сок = 0 показан на графике точкой а. При наличии АБС в точке б вырабатывается команда на растормаживание, которая спустя время запаздывания Тз отрабатывается исполнительным механизмом.
У автомобиля с пневмоприводом тормозов в этот момент обычно срабатывают электроклапаны, которые отсекают тормозную камеру контролируемого колеса от основной магистрали и сообщают её через дроссель с атмосферой. Происходит стравливание воздуха из камеры, снижение давления рабочего тела и, как следствие, тормозного момента на колесе.
В гидроприводе тормозов при использовании АБС, жидкость из изолированного участка магистрали с рабочим тормозным цилиндром с помощью плунжерного насоса перекачивается в магистраль за главным тормозным цилиндром, т.е. перед отсечённым участком. В рекуперативной АБС ВолгГТУ [84, ПО] для этого служит расширительный цилиндр, взаимодействующий с кулачком. При его работе происходит увеличение отсечённого объёма участка гидромагистрали, что приводит к снижению давления рабочего тела и, следовательно, величины тормозного момента на колесе.
С этого момента (точка в) начинается этап растормаживания колеса. Начало роста угловой скорости колеса (точка г) наступает несколько позже, в силу необходимости снижения для этого величины тормозного момента ниже момента по сцеплению. При этом угловое ускорение колеса к меняет свой знак на "плюс", что означает начало его разгона.
Из схемы видно, что дальнейшего снижения тормозного момента уже не требуется. Вместе с тем его повышение преждевременно, т.к. колесо ещё находится в закритической по проскальзыванию области срх (Sx) - диаграммы. Это обстоятельство в большинстве алгоритмов АБС трактуется как начало периода выдержки тормозного момента, который наступает в нашем случае после отработки команды, спустя время запаздывания тз (точка д).
Данная фаза рабочего процесса получила название фазы "отсечки". Достигается она при закрытии клапана, соединяющего полость рабочего цилиндра с атмосферой (в пневмоприводе) или с растормаживающим цилиндром (в гидроприводе). Причём клапан, отсекающий рабочий тормозной цилиндр от основной магистрали, остаётся закрытым.
Увеличение угловой скорости колеса сопровождается снижением проскальзывания и ростом момента по сцеплению, согласно рисунку 2.7, что обусловливает фазу устойчивого разгона колеса. После перехода в докритическую по проскальзыванию область ускорение резко возрастает в силу зависимости (2.1). При достижении порогового значения (точка е) вырабатывается команда на новое повышение давления рабочего тела и, следовательно, тормозного момента. Спустя время запаздывания она отрабатывается исполнительным механизмом. В существующих системах обычно фаза повышения давления отрабатывается исполнительным механизмом путём восстановления исходного состояния клапанов при обесточивании соленоидов. Тогда находящееся под более высоким давлением (определяемым усилием водителя на педаль тормоза) рабочее тело поступает через модулятор в ранее отсечённый участок магистрали с рабочим тормозным цилиндром. Темп нарастания тормозного момента при этом определится характером переходного процесса с учётом дросселирования в клапанном механизме модулятора.
Из рассмотренного выше следует, что низкий темп нарастания давления приведёт к затягиванию времени достижения оптимального проскальзывания и, соответственно, низкой эффективности торможения колеса. Большие темпы нарастания давления в условиях запаздывания на отработку команд приводят к существенному перерегулированию и перетормаживанию колеса в закритическои по проскальзыванию области. При этом не исключён кратковременный юз колеса. Для устранения этого явления применяется многофазовое регулирование с организацией фазы отсечки не только при растормаживании, но и при затормаживании колеса.
Построение программного обеспечения
Для автоматизации различных отраслей промышленности и транспорта все шире используются системы сбора, обработки сигналов и управления, построенные на базе IBM PC совместимых компьютеров [90, 92, 104, 117, 127, 146, 158, 165, 174, 197]. Данные системы имеют хорошую универсальность для использования в научно-исследовательских лабораториях. Это обеспечивается лишь в том случае, если данная аппаратура не работает в жёстких условиях (повышенная температура, влажность и т.п.). Построение систем сбора и обработки информации на базе IBM PC совместимых компьютеров менее затратно, по сравнению с промышленными системами.
Платы ввода/вывода сигналов для IBM PC [90, 127] совместимых компьютеров содержат большой диапазон нужных для моделирования инструментов для сбора и обработки информации: от простейших, до быстродействующих, мощных, обладающих расширенными возможностями плат со встроенным сигнальным процессором. Данные устройства, собранные в единую систему сбора данных и управления, предоставляют возможность быстро и эффективно решать задачи.
Наличие программного обеспечения под различные операционные системы позволяет быстро и эффективно создавать законченные решения в привычных средах программирования, таких как например - Pascal/Delphi, Visual С, Visual Basic, Watcom С и т.п.
Одна отдельная плата сбора и обработки данных не всегда в состоянии решить все задачи, стоящие перед пользователем. Ассортимент продукции, выпускаемых производителями АПП/ЦАП, позволяет создавать системы сбора и обработки аналоговой и цифровой информации, куда могут входить несколько плат, а также различные дополнительные (внешние) устройства, что позволяет пользователю полностью решить его задачу с минимальными затратами и максимальной точностью.
При виртуально-физическом моделировании, в зависимости от класса моделей («Колесо», «Шасси», «Шасси + водитель») строятся различные по уровню системы сбора и обработки данных:
Мини система - в ней можно использовать готовые, серийно выпускаемые платы, компьютер, необходимые межплатные соединения, стандартное программное обеспечение, входящее в комплект поставки плат. Стоимость работ при этом может составить до 25 % стоимости комплектующих.
Миди система - в ней так же можно использовать готовые, серийно выпускаемые платы и по необходимости платы, разрабатываемые именно для этой конкретной системы, компьютер, необходимые межплатные соединения, стандартное программное обеспечение (в том числе и для новых устройств). Стоимость работ при этом составляет не менее 50% стоимости комплектующих, входящих в систему, не включая, стоимости разработки, новых устройств.
Макси система - в таких частично используются готовые, серийно выпускаемые платы, но в основном - новые устройства, разработанные и необходимые именно для этой системы, компьютеры, межплатные соединения и программное обеспечение. Стоимость работ при этом, как правило, договорная, составленная на основе технического задания и калькуляции работ, согласованных обеими сторонами.
Для построения и реализации на стендах системы сбора и обработки данных необходима реализация следующих этапов: Этап Г. определение фундаментальных параметров системы Определяется назначение и область применения системы. Определяется состав данных, необходимых для работы системы, количество входных параметров. Определяется необходимая скорость сбора данных, частота дискретизации, типы входных сигналов, требования к точности измерения входных и выдаче управляющих параметров. Определяется темп работы системы и условия эксплуатации. Этап 2: выбор технических средств На основании анализа результатов первого этапа определяется потребность в средствах аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования сигналов (АЦП/ЦАП), дискретного ввода-вывода, а также необходимость использования различных дополнительных интерфейсов. Возможно использование устройств с различной шиной данных.
Выбор технических средств при виртуально-физическом моделировании базируется на следующих основных критериях:
Программное обеспечение в наибольшей степени определяет пригодность системы для решения данной задачи, её эффективность, надёжность и лёгкость модификации. Выбор программного обеспечения базируется на следующих основных критериях: Вид операционной системы; Опыт и навыки пользователя в программировании; Совместимость технических средств и программного обеспечения. Этап 4: подбор необходимых аксессуаров Для большинства приложений требуется использование аксессуаров, которые не входят в стандартный комплект поставки технических средств: Периферийные устройства для расширения количества каналов в системе (кабели, клеммные платы, модули нормализации сигналов и т.д.).
Использование портативного компьютера целесообразно для создания мобильных измерительных и диагностических систем, для мониторинга и управления различными процессами при ходовых испытаниях.
Для выбора аппаратных средств, необходимо определить, какую задачу будет решать система, сформулировать техническое задание и на его основе провести выбор плат сбора и обработки, их количества и выбор компьютера (обычный, портативный или промышленный); определить конфигурацию компьютера (системная плата, процессор, объем ОЗУ, модель и объем HDD, CD-DVD), наличие других устройств (при необходимости) и т. д. Для этого нужно руководствоваться двумя основными факторами:
Лабораторные исследования рабочих процессов полнокомплектных систем активной безопасности колёсной машины (пример решения задач класса «шасси»)
В качестве примера на рисунке 5.37 и 5.38 представлены осциллограммы процесса торможения юзом автомобиля ИЖ-2125 на поверхности типа сухой асфальтобетон при исследовании на комплексной установке и в дорожных условиях на реальном автомобиле. При этом достигнута хорошая сходимость как конечных результатов по величинам тормозного пути (97,7 %), времени торможения (99,1%) курсового угла (95%), так и динамических характеристик процесса: периода блокирования колёс (93%), частот колебания кузова при дифференте (полная сходимость), реализованного замедления (95%), характера изменения величин давления (полная сходимость). Вид полученных в процессе моделирования зависимостей ST(t), Vx(t), jx(t), Okj(t) отражает известные в теории автомобиля положения и результаты дорожного эксперимента, что свидетельствует о правомочности принятых при разработке виртуально физического моделирования допущений. Более сложным процессом является торможение автомобиля с автоматическими системами устранения блокирования колёс. Поэтому при оценке сходимости результатов, полученных в ходе дорожного эксперимента и при моделировании процесса на комплексной установке строго выдерживался порядок размещения агрегатов АБС и длин трубопроводов. Так, на рисунке 5.37 и 5.38 представлены осциллограммы процесса торможения автомобиля ИЖ-2125 с зависимой АБС на задних колёсах на поверхности типа сухой асфальтобетон, полученные соответственно при комплексном моделировании с использованием АВМ в качестве управляющей машины и в дорожных условиях. В последнем случае течение процесса во времени на осциллограмме воспроизводится справа налево [ПО].
Закономерности изменения исследуемых параметров до срабатывания АБС, аналогичны полученным выше при торможении юзом. При функционировании АБС происходит эффективное регулирование угловой скорости задних колес ю , которые достигают частичного юза лишь в конце процесса при существенном снижении продольной скорости автомобиля Va.
На обеих осциллограммах можно наблюдать характерный участок выдержки тормозного момента в течение 0,15 - 0,2 с, который обусловлен ростом силы сцепления задних колёс за счёт увеличения на них нормальной нагрузки R1 вследствие колебания кузова по углу дифферента А
Некоторое колебание величин давлений на передних колёсах р\ наблюдаемое как при проведении дорожных испытаний, так и при лабораторных исследованиях объясняется взаимным влиянием контуров гидропривода при срабатывании модулятора АБС на задних колёсах, а также особенностями конструкции модулятора ИЖ. Реализованные при работе АБС частоты регулирования тормозного момента возрастают по мере снижения продольной скорости движения центра масс автомобиля и в целом за процесс составили порядка 6 - 9 Гц.
Анализируя полученные зависимости можно отметить полное совпадение качественных сторон процесса торможения автомобиля при комплексном моделировании с полученными в ходе дорожного эксперимента. Принимая расчётные параметры за абсолютные значения и сравнивая их с результатами стендовых испытаний, оценена точность моделирования на комплексной установке. При этом ошибки не превышали: для тормозного пути 2 %, замедления 3 %, среднереа-лизованного коэффициента сцепления 3 %, поперечного отклонения и курсового угла 11 %. По частотам срабатывания АБС достигнута полная сходимость.
Реализация виртуально физического моделирования при использовании современных персональных компьютеров позволила получить результаты на новом качественном уровне. Как с позиций повышения адекватности, описания процесса торможения с автоматизированными системами, так и (что немаловажно) возможности моделирования процессов на наиболее сложных режимах торможения при участии водителя. Кроме того, существенно возросла информативность выводимых результатов и повысилась качество их обработки.
На рисунке 5.39 в качестве примера показан вид осциллограммы процесса торможения легкового автомобиля ИЖ-2125 с АБС п/о ИЖМАШ и блоком управления НИИАП (аналоговый вариант) с начальной скорости V0 = 30 м/с на мокром асфальтобетоне (ф = 0,55), полученный на комплексной моделирующей установке [ПО]. Основные параметры процесса отложены по оси ординат, которая дана в виде линейной шкалы. При этом, например, по давлению рабочего тела одна единица измерения ординаты соответствует 1,8 МПа.
Из графика-осциллограммы видно, что характер протекания основных физических параметров затормаживания колеса автомобиля с АБС, полностью соответствует известным в теории эксплуатационных свойств автомобиля с АБС закономерностям. Так, на полученной осциллограмме хорошо различимы периоды нарастания давления рабочего тела при воздействии оператора-водителя на тормозную педаль главного тормозного цилиндра и функционирования АБС, при достижении колесом автомобиля предельного проскальзывания. В последнем случае темпы изменения давления и степень его падения определяются конструкцией и параметрами использованного модулятора ИЖ. Величина реализованного максимального давления зависит от двух факторов: настройки блока управления АБС, быстродействия системы и максимального усилия водителя на педали тормоза. В рассматриваемом случае видно, что оператор-водитель после первых срабатываний АБС ослабил усилие нажатия на педаль.
