Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ работ в области совершенствования управляемости и устойчивости автомобиля 6
1.1. Инженерные методы параметрической оптимизации автомобиля 7
1.2. Критерии оценки управляемости и устойчивости автомобиля 28
1.3. Математическое моделирование при оценке управляемости и устойчивости автомобиля 49
1.4. Общие выводы и постановка задач диссертации 67
2 Разработка теории метода прямой опенки силовых реакций автомобиля на управляющие и возмущающие воздействия 72
2.1. Исходные положения метода 72
2.2. Основные графические формы метода силового анализа 73
2.3. Основы линейной теории метода силового анализа 87
2.4. Дополнительные графические формы метода силового анализа 92
2.5. Построение обобщенных силовых диаграмм автомобиля 106
2.6. Определение показателей управляемости и устойчивости и их сравнительная оценка 108
2.7. Общий анализ интегральных силовых диаграмм автомобиля 122
2.8 Исследование влияния конструктивных параметров автомобиля на его силовые характеристики 128
2.9. Расчет и анализ интегральных силовых диаграмм легковых автомобилей различных компоновочных схем 143
3 Разработка методов и средств экспериментального получения интегральных силовых диаграмм 182
3.1. Анализ возможных методов испытаний автомобиля в "связке" и технических средств их реализации 182
3.2. Разработка универсального испытательного оборудования для получения интегральных силовых характеристик легковых автомобилей 188
3.3. Разработка методик экспериментального получения интегральных силовых характеристик легковых автомобилей 205
3.4. Результаты экспериментальных исследований интегральных силовых характеристик легковых автомобилей различных компоновочных схем 215
4. Основы теории оптимизации конструкции автомобиля по критериям управляемости и устойчивости 221
4.1. Постановка задачи параметрической оптимизации автомобиля по критериям управляемости и устойчивости 221
4.2. Общий алгоритм постановки двухэтапной оптимизационной задачи 226
4.3. Выбор целевых функций на первом этапе параметрической оптимизации автомобиля по критериям управляемости и устойчивости 229
4.4. Разработка математической модели автомобиля, адаптированной к проведению многокритериальной параметрической оптимизации 233
4.5. Разработка методики оптимизации конструктивных параметров автомобиля по критериям управляемости и устойчивости 252
4.6. Метод решения многокритериальных оптимизационных задач 262
4.7. Второй этап оптимизационной задачи 265
4.8. Оценка эффективности метода двухэтапной оптимизации 267
4.9. Корреляционный анализ при постановке оптимизационной задачи 284
4.10. Разработка специализированного пакета программ для решения задач многокритериальной оптимизации 299
Основные результаты и выводы 303
Литература 307
Приложения 328
- Критерии оценки управляемости и устойчивости автомобиля
- Основные графические формы метода силового анализа
- Разработка универсального испытательного оборудования для получения интегральных силовых характеристик легковых автомобилей
- Общий алгоритм постановки двухэтапной оптимизационной задачи
Введение к работе
Активная безопасность автомобиля и, в частности, его управляемость и устойчивость постоянно привлекает внимание большого числа исследователей, испытателей и конструкторов и рассматривается в современном автомобилестроении как одно из стратегических направлений, определяющих комплекс важнейших эксплуатационных качеств автомобиля. По данным Всемирной Организации Здравохранения [4] автомобиль, являясь самым опасным видом транспорта, занимает третье место среди всех причин смерти населения, причем для людей в возрасте до 34 лет - автомобильные дорожно-транспортные происшествия занимают первое место. Ежегодно на дорогах России погибает 35-37 тысяч человек и 180-200 тысяч - получают серьезные ранения. Эти же данные для стран СНГ составляют соответственно 65-70 тысяч и 300-350 тысяч человек. Несмотря на то, что в наиболее развитых странах Запада удельные показатели ниже в 5-6 раз, их абсолютные значения весьма высоки. Так в США в 1995 году число погибших в автомобильных авариях составило около 41 тысячи человек, около 320 тыс. человек получили ранения. Согласно статистическим данным, собранным ЕЭК ООН по 51 стране Европы и Северной Америки, численность автотранстпортных средств в период с 1970 по 1995 год выросла на 57% (с 280 до 438 млн.), при этом рост дорожно-транспортных происшествий, погибших и раненых составил соответственно 42%, 18,6% и 30%. Приведенные цифры свидетельствуют о некотором повышении уровня активной безопасности современных автомобилей, однако резервы в этом направлении еще достаточно велики.
Свойства управляемости и устойчивости автомобиля традиционно принято оценивать на двух уровнях. На первом, как известно, рассматриваются свойства системы «водитель-автомобиль-дорога» (ВАД), на втором - автомобиля, как объекта управления. Попытки по тем или иным причинам противопоставить эти уровни не являются корректными, поскольку каждый из них предназначен для решения определенного класса задач. Оба уровня дополняют друг друга и позволяют находить наиболее эффективные пути достижения конечного результата. Оценка свойств системы ВАД является во многом «финишной» операцией, призванной дать окончательное заключение о достигнутом уровне свойств. Определение свойств автомобиля, как объекта управления, позволяет на всех этапах его проектирования и создания активно вмешиваться в этот процесс и вносить необходимые коррективы в принятые технические решения, в частности, за счет моделирующих и оптимизационных процедур. Большинство исследователей, занимающихся проблемами активной безопасности автомобиля, признают важность второго уровня, позволяющего использовать современные методы моделирования и поиска наилучших решений на базе инструментальных оценок, имеющих количественное описание. Однако, следует признать, что достигнутый в этом направлении уровень недостаточен и требует дальнейшего развития. Это касается в первую очередь установления взаимосвязи объективных (инструментальных) и субъективных (экспертных) оценок рассматриваемых свойств автомобиля. В последнее время этому направлению теории автомобиля уделяется повышенное внимание. Получен ряд важных результатов, реализация которых в практических задачах обеспечивает на проектной стадии достижение соответствующего уровня базовых субъективных оценок.
Создание автомобиля на сегодняшний день не представляется без применения высоких производственных и проектных технологий. Одно из основных мест среди них занимает многокритериальная оптимизация, которая находит широкое применение при разработке новых технологических процессов, создании новых материалов, проектировании новых конструкций, удовлетворяющих заданным эксплуатационным требованиям.
Современный автомобиль представляет собой сложную систему, определяемую большим числом параметров и призванную отвечать ряду разнообразных, зачастую противоречивых требований, поэтому поиск наилучших конструкторских решений на интуитивном уровне, как правило, не позволяет достичь желаемого результата. Кроме того, проблема создания конкурентоспособных автомобилей накладывает жесткие ограничения на продолжительность новых разработок и их стоимость.
Изложенное выше позволяет сделать вывод о необходимости и важности глубоких теоретических проработок и создания практического инструмента для оптимизации конструкции автомобиля на всех этапах его создания - от эскизного проектирования до окончательной доводки.
Критерии оценки управляемости и устойчивости автомобиля
Эффективность работ в области управляемости и устойчивости движения автомобиля в немалой степени зависит от методов и критериев оценки указанных качеств. Данное направление работ является одним из наиболее сложных в рассматриваемой проблеме, поскольку касается всех аспектов теории и эксперимента. Возникающие теоретические споры в отношении отсутствия единообразного толкования понятий управляемости и устойчивости во многом связано с ориентацией на определенные группы оценочных показателей и фактически большинство формулировок отражает существо рассматриваемых показателей и технологию их получения.
Существует три группы показателей управляемости и устойчивости автомобиля, оценивающие соответственно статические и динамические свойства собственно автомобиля, а также динамические свойства системы «водитель - автомобиль -дорога». Необходим анализ показателей в отношении их информативности, чувствительности к изменению различных факторов, легкости и достоверности определения, возможности нормирования, коррелируемости с другими показателями как внутри одной группы, так и между различными группами.
Традиционно статические показатели управляемости и устойчивости автомобиля определяются по результатам установившегося (или квазиустановившегося) кругового движения и при опрокидывании на стенде [2,87,154,163]. В дорожных условиях оцениваются: статическая поворачиваемость автомобиля, определяемая кривизнойтраектории (отношение угловой скорости поворота автомобиля к заданной скорости поступательного движения) в функции угла поворота рулевого колеса; степень поворачиваемости автомобиля, определяемая потребным углом доворота рулевого колеса при возрастании бокового ускорения на кривой постоянного радиуса; статическая чувствительность автомобиля к управлению, определяемая производной статической поворачиваемости по углу поворота рулевого колеса; статическая курсовая устойчивость, определяемая непосредственно углом дрейфа (увода) автомобиля; устойчивость против опрокидывания, определяемая непосредственно углом бокового крена кузова; усилие на рулевом колесе при повороте на месте и при движении.
На стенде опрокидывания оценочными показателями являются: угол наклона платформы, при котором происходит отрыв всех колес одной стороны от опорной поверхности; угол крена подрессоренных масс относительно опорной поверхности в поперечном сечении, проходящем через центр масс.
Простейшее нормирование большинства статических показателей связано с односторонним ограничением по минимуму или максимуму. Для ряда показателей (например, статической чувствительности к управлению), нормирование может осуществляться заданием допустимого диапазона изменения в функции угла поворота рулевого колеса или бокового ускорения автомобиля, что по сути означает выход на некий уровень, полагаемый оптимальным.
Кроме указанных традиционных показателей известен ряд дополнительных [154], основанных на обработке первичной информации. Определяются производные от первичных параметров, что дает возможность оценить степень изменения свойств автомобиля при варьировании условий движения. К ним относятся.
Для корректного сопоставления показателей управляемости и устойчивости различных автомобилей предлагается [154] использовать их нормализованное представление.
Как известно, в общем случае движения автомобиля по кривой заданного радиуса потребный угол поворота рулевого колеса состоит из двух частей. Первая - определяется углом Аккермана и пропорциональна колесной базе. Вторая - определяется характеристиками поворачиваемости автомобиля. Кроме того, угол поворота рулевого колеса, необходимый для получения требуемого угла поворота управляемых колес, зависит от общего передаточного числа рулевого управления. Таким образом, должны быть приняты во внимание три характеристики: колесная база, общее передаточное отношение рулевого управления и характеристики поворачиваемости автомобиля. Последняя составляющая будет возрастать с ростом бокового ускорения. В качестве «точки отсчета» выступает автомобиль с нулевым эффектом третьей составляющей, т.е. автомобиль с нейтральной поворачиваемостью, поведение которого будет определяться только передаточным отношением рулевого управления и колесной базой. Нормализованное представление поворачиваемости автомобиля может быть получено делением измеренной реакции на его колесную базу и передаточное число рулевого управления. Это позволяет сравнивать между собой характеристики поворачиваемости автомобилей, существенно различающихся по колесной базе и передаточному числу рулевого управления.
В свете изложенного можно нормализовать некоторые из представленных выше показателей автомобиля. Очевидно, что не имеет смысла проводить нормализацию градиентов угла дрейфа, угла крена и момента на рулевом колесе. Из рассматриваемых показателей нормализованное описание можно представить для градиента угла поворота рулевого колеса и для отношения градиентов угла поворота рулевого колеса и угла дрейфа автомобиля.
Нормализованное представление только по передаточному числу рулевого управления удобно для сравнения автомобилей, близких по колесной базе. В этом случае градиент поворачиваемости определяется как: где: is - передаточное число рулевого управления, дт - угол поворота рулевогоколеса, Ау- боковое ускорение автомобиля.Известно, что в общем случае градиент поворачиваемости определяется разностью указанного отношения и градиента угла Аккермана, но для кривой постоянного радиуса градиент угла Аккермана равен нулю.
Градиент дрейфа определяется отношением.где fi - угол дрейфа автомобиля.Нормализация одновременно по передаточному числу рулевого управления и колесной базе может быть использована для автомобилей, существенно отличающихся по габаритным размерам.
Основные графические формы метода силового анализа
Одной из основных форм графического представления информации в методе силового анализа является так называемая С -Ау диаграмма (рис.2.1), устанавливающая зависимость безразмерного коэффициента поворачивающего момента CV от приведенного бокового ускорения автомобиля Ау для заданной скорости движения.где: N - суммарный поворачивающий момент, создаваемый автомобилем относительно вертикальной оси; /и-масса автомобиля; / - колесная база, g - ускорение свободного падения; Jy - боковое ускорение центра масс.
Внутреннее наполнение С -Ау диаграммы - линии равных углов поворота управляемых колес 8 и угла дрейфа (увода) автомобиля Д представляющего собой угол между продольной осью автомобиля и вектором его поступательной скорости.CN-AY диаграмма представляет собой совокупность всех возможных равновесных и неравновесных состояний автомобиля, определяемых управляющими воздействиями со стороны водителя и позиционными углами автомобиля относительно траектории движения. Собственно равновесные состояния соответствуют нулевому суммарному поворачивающему моменту N. Это - точки, принадлежащие горизонтальной оси диаграммы. Всем остальным точкам диаграммы соответствует определенный уровень несбалансированного момента N, который отражает способность автомобиляф изменять траекторию движения или противодействовать внешним возмущениям.
Границы диаграммы отражают предельные по сцеплению силовые возможности шин передней и задней осей. Знак А? определяет направление поворота.
CN-AY диаграмма дает интегральное представление возможностей автомобиля в отношении его управляемости и устойчивости для любой комбинации управляющих воздействий, положения автомобиля относительно траектории и внешних возмущений. В частности, диаграмма наглядно отражает уменьшение потенциальных силовых9 возможностей по управлению и стабилизации с ростом бокового ускорения, когдапроисходит возрастание реализуемой шинами боковой силы и уменьшается запас по сцеплению, который может быть использован для маневрирования или стабилизации движения.
Рассматриваемая диаграмма предусматривает определенный постоянный уровень продольного ускорения Jx. В частности, при Jx=0 См-Ау диаграмма соответствует постоянной поступательной скорости движения автомобиля. При Jx O диаграмма соответствует режимам разгона и торможения автомобиля соответственно с постоянным ускорением или замедлением.
Основные свойства Сы-Ау диаграммы удобно рассмотреть на базе простейшей математической модели автомобиля, имеющей две степени свободы (поворот относительно вертикальной оси и боковое перемещение), без учета крена и перераспределения вертикальной нагрузки. С этой же целью характеристики увода шин также приняты линейными вплоть до насыщения по сцеплению (рис.2.2) Предполагается лишь возможное различие в предельных боковых силах передней и задней осей: PF 9R (s-свойства), 4 F«PR (р-свойства), PF= PR ( /-свойства), где рр, q R - коэффициенты сцепления передней и задней осей.
С -Ау диаграмма построена для постоянной скорости поступательного движения и правого поворота.Рассмотрим сначала диаграмму автомобиля, обладающего -свойствами.
Поскольку диаграмма построена для постоянной поступательной скорости, то вдоль любой вертикальной линии (например, Х-Х) величины бокового ускорения, кривизны траектории и суммарной боковой силы будут постоянными. Неуравновешенный момент Сы является функцией трех переменных: угла поворотауправляемых колес д, угла дрейфа автомобиля /? и угловой скорости поворота вокруг вертикальной оси г. Для рассматриваемой линейной модели автомобиля можно записать следующее выражение для момента N в частных производных:
Следовательно, на любой вертикальной линии поворачивающий момент представляет собой сумму трех составляющих: управляющего момента, курсового стабилизирующего момента и момента траекторной стабилизации
При известном угле поворота управляемых колес 8 и угловой скорости поворота автомобиля г угол дрейфа автомобиля (5 можно определить из условия равновесия боковых сил:
Все представленные частные производные суммарной боковой силы и момента для принятого описания автомобиля являются постоянными.Неуравновешенный суммарный потенциальный момент N, как указывалось выше, может быть использован для противодействия внешним возмущающим воздействиям (уклон дороги, порыв ветра и т.д.) или для изменения условий равновесия, например, для перехода на траекторию другого радиуса. Возможна также комбинация двух рассматриваемых случаев.
Верхняя граница диаграммы определяется насыщением боковых реакций передних колес. При этом комбинация Д S, г дает угол увода передних колес о? равный a max (см. рис.2.1). В случае отрицательного /3 величина угла увода OF определяется равенством:где a/R - составляющая суммарного угла увода, вызванная кривизной траектории (а - расстояние от центра масс до передней оси).
Поворот автомобиля в направлении отрицательного р способствует достижению верхней границы диаграммы.
Нижняя граница диаграммы определяется насыщением боковых реакций задних колес. Условие насыщения имеет вид:где: b/R - угол увода задних колес, вызванный кривизной траектории (Ь -расстояние от центра масс до задней оси).Таким образом, можно отметить, что для правого поворота верхняя граница диаграммы соответствует потере управляемости, а нижняя - потере устойчивости.
Точка пересечения верхней и нижней границ определяет условие одновременного выхода передних и задних колес на предел по сцеплению. Для автомобиля с нейтральной поворачиваемостью эта точка соответствует максимально достижимому ускорению автомобиля, является равновесной и лежит на оси A Y (СМ. рис.2.1).
В целом, CN-AY диаграмма покрывает все возможные сочетания положительных и отрицательных углов fi и 5 для правого поворота. Симметричное отражение этой диаграммы относительно вертикальной оси соответствует левому повороту автомобиля.
Из C-M-AY диаграммы видно, что при установившемся повороте вблизи максимального бокового ускорения имеется весьма малый несбалансированный потенциальный момент, который может быть реализован для управления автомобилем или его стабилизации.
Если автомобиль движется по траектории определенного радиуса R (при фиксированном AY) на заданной скорости и получает возмущение по моменту N, можно сразу определить, способен ли автомобиль противодействовать этому возмущению и перейти к новому равновесному состоянию без вмешательства со стороны водителя. Пусть исходное равновесное состояние соответствует приведенному боковому ускорению AY=AYO (рис.2.3, Т.0). В этих условиях угол поворота управляемых колес 5= So, а угол дрейфа автомобиля /7=/. При внешнем возмущении, определяемом величиной CN=-CNI, для сохранения исходного радиуса траектории необходим переход вдоль вертикальной линии до достижения значения коэффициента поворачивающего момента CN=CNJ- ЭТО состояние достигается при новом сочетании 5=5i и р = Рі (т.1). Предельно воспринимаемый возмущающий момент равен Сышах и определяется пересечением вертикали и граничной линии диаграммы.
Неуравновешенный поворачивающий момент может быть также использован для преднамеренного изменения исходного равновесия. Пусть при том же начальном условии (AY=AYO) автомобиль нужно перевести на траекторию, соответствующую ускорению AY=AYI, т.е. перейти от т.0 к т.2 рассматриваемой диаграммы. Видно, что в т.0: 5= до, и Р=Ро, а в т.2: 5=52, и /7=/. Для получения нового равновесного состояния достаточно изменить 5, увеличив его до нового заданного значения. Если это сделано достаточно быстро, то сначала будет наблюдаться скачок по 5, а затем при новом значении 5=5г будет происходить перемещение вдоль линии 5=const вплоть до
Разработка универсального испытательного оборудования для получения интегральных силовых характеристик легковых автомобилей
Анализ возможных схем для экспериментального определения в дорожных условиях обобщенных силовьк характеристик легковых автомобилей показал предпочтение, по ряду критериев, прицепного самоустанавливающегося силового автомобильного тестера (в дальнейшем - автотестера). В период 1984-1990 годов под руководством автора впервые в мировой практике была разработана и реализована конструкция указанного автотестера, а также созданы и отлажены методики соответствующих экспериментальных исследований [116]. Общий вид установки представлен на рис.3.3 Общая компоновка и конструкция основных узлов автотестера приведена в Приложении 1.
Автотестер МАМИ предназначен для прямого измерения управляющих и стабилизирующих реакций легковых автомобилей при имитации различных условий движения. Он позволяет независимо задавать автомобилю продольный и поперечный крены, а также угол дрейфа (увода) автомобиля относительно траектории движения. Кроме того, испытуемый автомобиль оснащается дополнительными устройствами для задания и фиксации угла поворота управляемых колес, положения педали подачи топлива, усилия на тормозной педали. Для возможности испытания автомобиля в тяговом режиме он оснащается полуавтоматическим приводом сцепления и механизмом переключения передач. Ниже приводится краткое назначение и описание основных систем автотестера. Захват предназначен для фиксации автомобиля относительно основной рамы автотестера и удержания его в процессе испытаний, независимо от возникающих силовых реакций и внешних возмущающих воздействий.
Конструкция захвата предусматривает возможность испытания различных четырехдверных легковых автомобилей широкого диапазона размеров благодаря значительной универсальности его конструкции. Захват {рис.3.4) представляет собой пространственную раму, состоящую из ряда подузлов, обеспечивающих его непосредственную сборку внутри объекта испытаний. Автомобиль фиксируется в автотестере за кузов в шести точках в местах с достаточно жесткими элементами, Элементы стыковки захвата с кузовом представляют собой жесткие профили разомкнутого сечения с регулировочными упорами, при помощи которых обеспечивается установка "по месту" элементов стыковки захвата и кузова. Захват включает в себя:- левую и правую боковые фермы, связывающие элементы стыковки каждой стороны в одной плоскости; нижнюю горизонтальную ферму (с корпусом подшипникового узла вертикальной оси внутренней измерительной рамы), связывающую элементы стыковки, закрепленные на порогах; - верхнюю горизонтальную ферму (с корпусом подшипникового узла вертикальной оси внутренней измерительной рамы), связывающую элементы стыковки, закрепленные на средних стойках;- передние левый и правый раскосы, связывающие спереди верхнюю и нижнюю горизонтальные фермы;- заднюю вертикальную ферму с элементами устройства измерения суммарного момента создаваемого автомобилем относительно вертикальной оси;- верхний узел крепления гидроцилиндра задания продольного крена, связывающий врхнюю и заднюю горизонтальные фермы.Система погружения и измерения
Данная система (рис.3.5) предназначена для независимого задания и фиксации продольного и поперечного кренов кузова, а также измерения всех создаваемых автомобилем сил и моментов, за исключением вертикальной реакции, по оси которой автомобилю сохраняется степень свободы.
Данное устройство является наиболее ответственным и трудоемким узлом автотестера, так как от его работы зависит точность задания кинематики движения автомобиля и погрешность измерения его силовых реакций. Параметры, характеризующие положение автомобиля в пространстве (боковой и продольный крены кузова, угол увода автомобиля), задаются независимо. Для удобства обработки результатов испытаний все силовые реакции измеряются в системе координат, связанной с кузовом автомобиля.
Измерительная система позволяет измерять суммарную продольную (X) и поперечную (Y) силы, суммарные моменты (L, М, и N), действующие относительно продольной, поперечной и вертикальной осей, связанных с кузовом автомобиля. При этом начало системы координат (т. О) совмещено с расчетным центром масс испытуемого автомобиля при полной нагрузке. Конструкция системы такова, что измерительная ось Y жестко связана с кузовом и изменяет свое положение при боковом крене автомобиля. Положение продольной измерительной оси X в процессе задания продольного крена не меняется (измерительная ось X параллельна опорной поверхности); это, однако, не вносит существенных погрешностей в процесс измерения ввиду малости углов продольного крена, что может быть при необходимости учтено соответствующими поправками.
Система нагружения и измерения состоит из следующих основных частей, внутренней измерительной рамы 1, наружной измерительной рамы 2, вспомогательной рамы 3 и основной рамы 8.
Внутренняя измерительная рама 1 представляет собой пространственную конструкцию в виде четырехугольной пирамиды. Она служит основой для формирования двух взаимно перпендикулярных осей У и Z, положение которых неизменно по отношению к кузову автомобиля. Рама 1 связана с автомобилем с помощью подшипниковых узлов, благодаря которым автомобиль имеет вращательную степень свободы относительно рамы 1 вокруг оси Z. Эта степень свободы блокируется тензобалками, замыкающими хвостовик рамы 1, с помощью которых измеряется суммарный момент, создаваемый автомобилем относительно вертикальной оси. Внутренняя измерительная рама 1 соединена с внешней измерительной рамой 2, с помощью которой формируется третья измерительная ось X. Рамы 1 и 2 связаны посредством подшипниковых узлов оригинальной конструкции, позволяющих раме 1 вращаться вокруг оси Y и перемещаться вдоль оси Y относительно рамы 2. Поступательная степень свободы блокируется двумя тензобалками, служащими для измерения суммарной боковой силы Y. В зависимости от знака Y работает левая или правая тензобалка. Вращательная степень свободы блокируется гидроцилиндром 5, с помощью которого определяется продольный кренящий момент М. Наружная измерительная рама 2 связана со вспомогательной рамой 3 с помощью аналогичных подшипниковых узлов, позволяющих раме 2 вращаться вокруг оси X и перемещаться вдоль оси X относительно рамы 3. Поступательная степень свободы блокируется двумя тензобалками, служащими для измерения суммарной продольной силы X. Вращательная степень свободы блокируется гидроцилиндрами 4 одностороннего действия, с помощью которых определяется суммарный кренящий момент L. Таким образом, указанные гидроцилиндры служат для задания автомобилю продольного и поперечного кренов и измерения соответствующих моментов.
Рама 3 представляет собой разборную пространственную конструкцию, связанную с основной рамой установки 8 посредством вертикальных направляющих 7. Последние обеспечивают вертикальное перемещение рамы 3 относительно рамы 8, что дает автомобилю в процессе испытаний вертикальную степень свободы.Фрагменты конструкции системы нагружения и измерения автотестера представлены на рис.3.6-3.7.
Общий алгоритм постановки двухэтапной оптимизационной задачи
Управляемость и устойчивость автомобиля, как объекта управления, определяется совокупным влиянием ряда агрегатов и систем, среди которых особое влияние оказывают шины, рулевое управление, подвеска, кузов, трансмиссия, тормозное управление. Независимая оптимизация отдельных подсистем автомобиля не имеет практического смысла, поскольку задача должна решаться в комплексе. Трудности одноэтапного решения общей оптимизационной задачи обусловлены необходимостью применения сложных математических моделей агрегатов и систем, что приводит к чрезмерному возрастанию длительности вычислений и невозможности практического применения такого подхода при проектировании и доводке автомобиля.
В связи с изложенным, предлагается решение поставленной задачи осуществлять в два этапа (рис.4.1). На первом этапе предполагается получение оптимальных характеристик агрегатов и систем автомобиля по критериям его управляемости и устойчивости в целом. Оптимальные характеристики агрегатов и систем находятся в условиях выбранных конструктивных схем и заданных ограничений. На втором этапе проводится поиск сочетаний конструктивных параметров агрегатов и систем автомобиля, обеспечивающих максимальное приближение их рабочих характеристик коптимальным, полученным на первом этапе. Преимуществами такого подхода являются:- существенное сокращение числа варьируемых параметров на первом этапе;- минимальные изменения общей математической модели автомобиля при изменении конструктивных схем отдельных агрегатов и систем;- существенное сокращение общей длительности вычислений за счет параллельного ршения задач второго этапа.
Отметим, что каждый этап предлагаемого подхода представляет собой самостоятельную оптимизационную задачу.
Постановка оптимизационной задачи первого этапа включает в себя следующие процедуры:- формирование локальных критериев качества и условий их получения;- разработка математической модели автомобиля на базе обобщенных рабочих характеристик агрегатов и систем;- определение набора варьируемых параметров и диапазонов их изменения;- формирование функциональных ограничений;- выбор метода оптимизации;- определение потребного объема вычислений;- задание уровней критериальных ограничений.
Постановка оптимизационной задачи второго этапа включает в себя аналогичные процедуры (рис.4.3), однако их содержание имеет ряд существенных отличий.
Математические модели, используемые на втором этапе, представляют собой углубленные описания конкретных агрегатов и систем автомобиля, позволяющие с известной точностью отражать их функционирование в заданных условиях. В качестве варьируемых выступают соответствующие конструктивные параметры агрегатов и систем (параметры размерности, инерционности, жесткости, демпфирования и т.д.).
Поскольку задача второго этапа представляет собой процедуру синтеза оптимальных конструктивных параметров рассматриваемого агрегата или системы, то основным требованием является получение конструкций, рабочие характеристики которых максимально совпадают с оптимальными, полученными на первом этапе. В качестве критериев оптимальности в этом случае выступают интегральные показатели, оценивающие расхождения реальных и оптимальных рабочих характеристик.
Оптимизационная задача второго этапа включает в себя следующие процедуры:- формирование локальных критериев качества и методики их получения;- разработка математических моделей агрегатов и систем, описывающих их функционирование в заданных условиях;- определение варьируемых конструктивных параметров и диапазонов их изменения,- формирование функциональных ограничений; - выбор метода оптимизации;- определение потребного объема вычислений;- задание уровней критериальных ограничений.
Автомобиль, как объект управления системы "водитель - автомобиль - дорога", во многом определяет свойства этой системы в отношении управляемости и устойчивости. В этом смысле получение заданных статических и динамических показателей автомобиля должно обеспечить высокие показатели системы в целом, что на завершающем этапе создания автомобиля должно быть подтверждено соответствующими экспертными оценками.
Очевидно, что в отношении управляемости и устойчивости понятие оптимальности свойств автомобиля напрямую связано с условиями эксплуатации и квалификацией водителей. Невозможно создать автомобиль, который был бы оптимальным, независимо от указанных факторов. В связи с этим, на начальной стадии решения оптимизационной задачи весьма трудно оценить степень значимости того или иного критерия, поэтому исходный набор критериев должен быть относительно большим, чтобы субъективным образом не исключить важные (существенные) критерии. Последующий анализ позволяет, как правило, отказаться от слабых критериев и свести к минимуму однотипные критерии, дающие эквивалентную информацию. Конечной целью этого является формирование минимального блока статических и динамических критериев, дающих достоверное описание рассматриваемых свойств автомобиля применительно к заданным условиям эксплуатации.
В первую очередь его основой является оценки парной корреляции «критерий-критерий» и «критерий-параметр». Первые из них позволяют выделить критерии, между которыми существует высокая степень взаимосвязи. Это дает основания для возможного сокращения числа критериев и упрощения исходной оптимизационной задачи. Вторые - позволяют выявить не только чувствительность критериев к изменению параметров, но и определить наиболее сильные факторы, а также возможные пределы улучшения критериев в заданных областях варьирования параметров. Примеры реализации такого подхода изложены в разделе 4.8.
