Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Понятие устойчивость автомобиля и критерии ее оценки 8
1.2. Системы повышения устойчивости автомобиля при торможении и требования к ним 16
1.3. Анализ существующих конструкций ПЗС и систем, в которых информация о динамическом состоянии автомобиля используется в качестве вспомога тельной 26
1.4. Задачи исследования 32
Глава 2. Теоретическое исследование противозаноснои системы
2.1. Структура и принцип действия противозаносной системы 33
2.2. Математическое описание автомобиля и элементов противозаносной системы
2.2.1. Автомобиль 35
2.2.2. Колесо 55
2.2.3. Тормозной механизм 65
2.2.4. Модулятор давления 68
2.2.5. Блоки управления 73
2.2.5.1. Блок управления ПЗС, работающей по среднему утлу увода задних колес 73
2.2.5.2. Блок управления трехфазовой АБС 74
2.2.5.3. Блок управления ПЗС, использующей информацию об угловой скорости автомобиля и об угле поворота управляемых колес 76
2.2.5.4. Блок управления ПЗС, использующей информацию об угловой скорости автомобиля, угле поворота управляемых колес и линейной скорости автомобиля 78
2.3. Исследование схем применения и определение условий качественного функционирования ПЗС 80
2.4. Анализ параметров регулирования 103
2.5. Определение требований к модулятору давления 117
2.6. Алгоритмы функционирования ПЗС 123
2.7. Оценка влияния основных конструктивных параметров автомобиля на эффективность ПЗС 129
Глава 3. Экспериментальное исследование противозаносной системы
3.1. Задачи экспериментального исследования 136
3.2. Объект исследования и экспериментальное оборудование 136
3.3. Комплекс измерительной аппаратуры 146
3.4. Методика проведения испытаний 151
3.5. Результаты испытаний и проверка адекватности разработанных моделей 156
Глава 4. Сравнительная оценка эффективности ПЗС и АБС и поиск путей совершенствования ПЗС 166
Основные выводы. 186
Литература 188
Приложение 197
- Системы повышения устойчивости автомобиля при торможении и требования к ним
- Математическое описание автомобиля и элементов противозаносной системы
- Оценка влияния основных конструктивных параметров автомобиля на эффективность ПЗС
- Объект исследования и экспериментальное оборудование
Введение к работе
"Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года", принятыми на ХХУН съезде КПСС, предусматривается повышение производительности автотранспортных средств и увеличение эффективности их использования, а также значительное повышение безопасности движения СИ.
Большое влияние на безопасность движения автомобильного транспорта оказывают тормозные свойства подвижного состава, совершенствованию которых уделяется много внимания. Современные автомобили обладают мощной тормозной системой, способной практически на любой дорожной поверхности заблокировать колеса. Однако стоит задача не только быстро остановить движущийся автомобиль, но и обеспечить при этом его устойчивость и управляемость. Для СССР эта проблема стоит особенно остро, так как большую часть года дорожная поверхность находится под снегом или льдом. В литературе [2] приводятся сведения о том, что при уменьшении коэффициента сцепления шины с дорогой с 0,7 до 0,3 частота дорожно-транспортных происшествий возрастает в 2,5 раза, причем в основном за счет потери устойчивости автомобиля при торможении. Таким образом обеспечение устойчивости автомобиля при торможении является важной задачей.
Из устройств, способствующих повышению устойчивости автомобиля при торможении, наибольшее распространение получили регуляторы тормозных сил (РТС) и антиблокировочные системы (iffiC). Если в отношении РТС требования сводятся лишь к обеспечению опережающего блокирования передних колес по отношению к задним и не-
обходимого распределения тормозных сил, то требования к АБС расширены до обеспечения устойчивости и управляемости автомобиля при торможении при максимально коротком тормозном пути во всех встречающихся условиях. Опыт производства и эксплуатации АБС за рубежом показывает, что при оборудовании ими автомобилей необходимо решить ряд проблем, связанных с разработкой,производством и эксплуатацией этих систем. Таким образом оборудование автомобилей АБС - это комплексная проблема, требующая перехода производства и эксплуатации автомобилей на новый уровень. Поэтому, по всей видимости, будет представлять интерес система повышения устойчивости автомобиля при торможении, предотвращающая занос автомобиля хотя бы в наиболее опасных случаях, но более простая и дешевая в производстве и эксплуатации чем АБС. Можно предположить, что наиболее полно этим требованиям будет отвечать система повышения устойчивости автомобиля при торможении, использующая информацию о динамическом состоянии автомобиля, т.к. объектом управления для нее является автомобиль, который гораздо более инерционен, чем колесо.- Поэтому, предположительно, различного рода помехи, имеющие значение для АБС, для данной системы не будут представлять опасности, и требования к исполнительному механизму и тормозным механизмам будут невысокими, а частота срабатывания может быть снижена по сравнению с АБС, что потребует менее мощного источника энергии. Также необходимо отметить, что в конструкциях АБС наметилось в последнее время в качестве дополнительной использование информации о динамическом состоянии автомобиля. Все это говорит о том, что исследование подобных систем представляет определенный интерес.
Целью настоящей работы является повышение устойчивости легкового автомобиля при торможении путем применения противо-заносной системы, работающей на основе информации о динамическом состоянии автомобиля.
Системы повышения устойчивости автомобиля при торможении и требования к ним
В ходе истории развития автомобиля было разработано несколько систем повышения устойчивости автомобиля при торможении: - регулятор тормозных сил /РТС/; - антиблокировочная система /АБС/; - импульса тор тормозного момента (ЙШ); - противозаносная система (ПЭС). Основное требование к РТС - обеспечение возможно лучшего использования сцепного веса автомобиля и опережающего блокирования передних колес при торможении в различных эксплуатационных условиях. Вопросами распределения тормозных сил, а также совершенствованием РТС занимались многие ученые, такие как Антонов Д.Л., Гаспарянц ГЛ., Гредескул А,Б., І уревич І.В., Дольберг В.И., Дронин М.И., Косолапов Г.М., Мащенко А.Ф , Ме-ламуд Р.А., Метлюк Н.Ф., Петров В.4., Розанов В.Г., Федосов І.С. и др. В РТС для работы используется информация о состоянии автомобиля, которой могут являться, в зависимости от конструкции РТС, такие параметры, как прогиб подвески, давление рабочего тела в тормозной системе, продольное и боковое ускорение автомобиля и т.д. [4С0. По принципу действия РТС можно разделить на ограничители давления и компенсаторы давления [41] Ограничители давления обеспечивают при некоторых условиях фиксацию давления рабочего тела в заднем контуре тормозов и тем самым меняется соотношение тормозных сил. Более качественного регулирования тормозных сил позволяют добиться компенсаторы давления, которые при выполнении некоторых условий обеспечивают изменение наклона характеристики соотношения давлений.
Причем возможно не только варьирование момента включения регулятора, но и изменение наклона характеристики. При правильной настройке РТС обеспечивает хорошее использование сцепного веса автомобиля и опережающее блокирование передних колес по отношению к задним, что обуславливает устойчивость при торможении в некоторых случаях, РТС широко применяются на автомобилях благодаря своей простоте, низкой стоимости, отсутствию постороннего источника энергии, а также высокой защищенности от внешних помех, определяемой значительной инерционностью автомобиля как источника информации для работы, Однако РТС не в состоянии обеспечить устойчивость при торможении в условиях бортовой неравномерности коэффициента сцепления и бортовой неравномерности действия тормозных механизмов, а также очень чувствительны к изменениям в эксплуатации характеристик подвесок и состоянию тормозных механизмов С42,43,44]. Эти недостатки и достоинства определяются отсутствием непосредственной связи между колесом и РТС. Несравненно большими возможностями в обеспечении устойчивости и управляемости автомобиля обладают АБС. Этому вопросу посвятили свои работы івтушко В.Ш, Балакин В.Д;5, Гапоян Д.Т., Гредескул А.В+$ Гуревич Л.ВІ% Ечеистов IDJU, Иларионов В.А., Косолапов Г.М., Ломака СИ., Меламуд Р.А., Метлюк Н.Ф., Морозов Б.И., Нефедьев Я.Н., Оржевский И.С, Петров B.JL, Петров М.А., Пчелин И.К І Ревин А,А., Розанов В.Г., Фалькевич Б.С., Федосов 4.С, Фрумкин А.К., Хачатуров А.А., Юдаков Б#ФІ, Аг\ои 3., burckkard R, Cz-irvczei. IV, Evts Є., Ferrtov\.3v Friz&eUe Q., Gory Q., Hav/Uaag Q., VsX&or Ц., 14i-U.ch.ke M.; MuUer M., Reme.cke E.; Wiener P u . По причине больших потенциальных возможностей АТ& соответственно и требования к ним более широкие, чем к другим системам. Наиболее полно эти требования сформулированы в работе U45].
Они следующие: - во время процесса торможения должны обеспечиваться устойчивость движения и управляемость автомобилем, как при медленном повышении давления в тормозной системе, так и при быстром; - разворачивающие моменты, возникающие при торможении либо от неравенства коэффициента сцепления по бортам, либо от неравномерности действия тормозных механизмов, либо по другим причинам должны возникать настолько медленно, чтобы средний водитель мог компенсировать их без особых усилий; - регулирование тормозного момента должно происходить во всем диапазоне скоростей автомобиля, включая такие малые скорости, при которых блокирование колес автомобиля не представляет опасности; - АБС должна оптимально использовать способность колес к созданию реакций, причем устойчивость движения и управляемость имеют большее значение, чем сокращение тормозного пути; - JffiC должна как можно быстрее реагировать на изменение коэффициента сцепления, возможное блокирование колес должно быть ограничено таким коротким отрезком времени, чтобы не произошло нарушения устойчивости и управляемости автомобиля; - требования к устойчивости, управляемости и оптимальному использованию способности колес к созданию реакций сохраняются и на неровной дороге при торможении любой интенсивности;
Математическое описание автомобиля и элементов противозаносной системы
Работа колеса в тормозном режиме на автомобиле, оборудованном ПЗС, имеет некоторые особенности, которые необходимо учитывать при разработке математического описания, В отличие от антиблокировочных систем, использующих в качестве информации для регулирования тормозного момента параметры вращательного движения колес (угловую скорость, угловое ускорение и т.д.), для организации рабочего процесса ПЭС используются параметры автомобиля в целом (угловая скорость вокруг вертикальной оси, боковое ускорение и т.д.). Вследствие того, что автомобиль является сравнительно инерционным объектом регулирования, частота модулирования тормозного момента при работе ПЗС невелика ( 0,5...1 Гц). С этим связаны и особенности работы колеса при экстренном торможении автомобиля с ПЭС: колесо быстро блокируется и относительно долго ( 0,3...0,5 с) движется в таком состоянии с увеличением угла увода, затем, после срабатывания ПЗС, колесо разблокируется и в течение времени, необходимого для стабилизации автомобиля (также 0,5 с), движется с уводом в ведомом режиме качения. Далее процесс повторяется.
Исходя из вышеизложенного, при расчете характеристик колеса в составе ПЭС необходимо учитывать: - одновременное действие значительных, вплоть до предельных по сцеплению, продольных и боковых сил; - динамические свойства колеса, связанные с моментом инерции относительно оси вращения, а также неустановившийся характер боковой деформации шины (нестационарный увод); - влияние угла развала. Динамические свойства шины, определяемые неустановившимся характером продольной деформации шины, в нашем случае учитывать нет необходимости, поскольку, в отличии от ABC, информация о вращательном движении колеса непосредственно в ЇЇЗС не используется. Вследствие сравнительно медленного изменения боковой реакции колеса можно пренебречь демпфированием в шине, связанным с нестационарным уводом. Также не имеет смысла учитывать стабилизирующий момент шины поскольку его величина относительно мала по сравнению с действующими на автомобиль силами и моментами и в модели автомобиля не учитывается перемещение управляемых колес относительно шкворней (см. п. 2.2,1) При разработке математического описания за основу была взята модель колеса, предложенная в работе 77]. В отличии от исходной модели, основываясь на принятых допущениях, неустановившийся характер деформаций шины учтем только с помошью скорости yh бокового смещения площадки контакта относительно диска колеса (рис. 2.5). В этом случае выражения для продольного и бокового проскальзываний S и 8 у имеют следующий вид: кс - радиус качения колеса в свободном режиме; V - скорость центра колеса. Кроме того боковая реакция Ry связана с боковой деформацией SdK следующим выражением: где Су - коэффициент, имеющий смысл боковой жесткости шины.
Вместе с тем продольная реакция &х , угловая скорость колеса со и тормозной момент М-г связаны уравнением вращательного движения колеса: где Ок. - момент инерции колеса относительно оси его вращения; М$с - момент сопротивления качению колеса в свободном режиме. Величина М.$ с определяется согласно следующему выражению: M -Ref0lr c(i vVK ) (2.38) где R-s - нормальная реакция на колесе; J0 - коэффициент сопротивления качению при малой скорости движения; К - коэффициент учитывающий рост коэффициента сопротивлению качению с ростом скорости. Влияние угла развала _ учтем через так называемый "результирующий" угол увода [78,7: где , - угол развала колеса; Кг - коэффициент, учитывающий влияние развала колеса на величину боковой реакции, определяется как отношение коэффициента сопротивления развалу к коэффициенту сопротивления уводу. Таким образом колесо представлено как система с тормозным моментом Нт- , углом увода и углом развала 8 на входе, а также продольной и боковой реакциями Rx , у и угловой скоростью UDK на выходе. Выражая из уравнения (2.34) угловую скорость и подставляя ее производную в (2.37) получаем, с учетом вышесказанного, следующую систему уравнений
Оценка влияния основных конструктивных параметров автомобиля на эффективность ПЗС
Оценить влияние основных конструктивных параметров автомобиля необходимо для того, чтобы прогнозировать изменение критериев эффективности и устойчивости процесса торможения автомобиля, оборудованного ПЭС, при изменении этих конструктивных параметров как при проектировании автомобиля, так и в условиях эксплуатации. В качестве критерия эффективности торможения использовался тормозной путь S , а критерием устойчивости служило максимальное линейное отклонение автомобіля от линии направления движения в начале торможения 6 , при условии, что конечный курсовой угол автомобиля не превышал I радиан. Использование этого критерия устойчивости обусловлено тем, что максимальное линейное отклонение автомобиля от границы коридора S при расчете относительных коэффициентов чувствительности (см. ниже) дает разрывную функцию. Влияние конструктивных параметров автомобиля на эффективность ПЭС оценивалось с помощью относительных коэффициентов чувствительности по тормозному пути т и линейному отклонению : где П; - 1-ый конструктивный параметр автомобиля. Исследовалось влияние пяти основных конструктивных параметров автомобиля: 1. Массы автомобиля, М ; 2. Базы автомобиля, L ; 3. Положения центра тяжести автомобиля по базе, &/l_ ; 4. Высоты центра тяжести автомобиля, гь ; 5. Ширины колеи автомобиля, Н .
При оценке влияния массы автомобиля вместе с ней изменялся пропорционально и момент инерции автомобиля относительно вертикальной оси, поскольку эти два параметра, как правило, связаны и исследование влияния их по отдельности не целесообразно. Определение коэффициентов чувствительности производилось численным методом при работе ПЗС по среднему углу увода задних колес (см. п. 2.3.). Уставка на срабатывание по углу увода принималась равной S =0,15 рад. Схема применения ПЗС была выбрана первая, с регулированием тормозного момента на обоих задних колесах одновременно. Исследование проводилось при высоком Ц =0,8, среднем f = 0,5 и низком f = 0,2 коэффициенте сцепления и при варьировании разворачивающего момента от 0 до 3 кНм. Анализ результатов расчетов, представленных на рис.2.46 -2.48, показывает, что наибольшее влияние на показатели эффективности оказывают масса автомобиля с моментом инерции относительно вертикальной оси, длина базы автомобиля и положение центра тяжести по базе. На порядок меньшее влияние оказывает высота центра тяжести и практически не влияет ширина колеи автомобиля. Рост массы с моментом инерции относительно вертикальной оси, длины базы и высоты центра тяжести оказывает положительное влияние на эффективность ПЗС, а смещение положения центра тяжести назад сказывается отрицательно. Необходимо также отметить, что влияние изменения конструктивных параметров на линейное отклонение автомобиля в бок примерно раз в 5-7 выше, чем на тормозной путь.
С ростом разворачивающего момента и с падением коэффициента сцепления влияние конструктивных параметров на эффективность ПЭС усиливается. Положительное влияние увеличения массы и момента инерции автомобиля объясняется тем, что при этом увеличивается нормальная нагрузка на задние колеса. За счет этого увеличивается стабилизирующий момент в фазе стабилизации и она сокращается по времени. Этим же объясняется и рост относительных коэффициентов чувствительности с падением коэффициента сцепления, поскольку уменьшается разгрузка задних колес автомобиля при торможении. Увеличение момента инерции автомобиж относительно вертикальной оси способствует затягиванию как фазы заноса, так и фазы стабилизации, практически не влияя на их соотношение, которое и определяет в основном величину тормозного пути и бокового отклонения. Рост базы автомобиля при неизменности других параметров определяет рост плеча боковой реакции в пятне контакта расторможенных задних колес в фазе стабилизации и следовательно рост стабилизирующего момента. Как отмечалось выше, такое протекание процесса благоприятно сказывается на параметрах эффективности ПЭС. Смещение центра тяжести автомобиля назад вызывает уменьшение плеча боковой реакции задних колес в фазе стабилизации и практически такое же увеличение боковой реакции за счет увеличения нормальной нагрузки на задние колеса. По этой причине стабилизирующий момент остается прежним, но за счет уменьшения нормальной нагрузки на передних колесах падает продольное замедление автомобиля в фазе стабилизации и , как следствие, растет тормозной путь и отклонение вбок. Также за счет изменения соотношения нормальных нагрузок спереди и сзади происходит сокращение тормозного пути и линейного отклонения вбок при увеличении высоты центра тяжести. Причем с падением коэффициента сцепления перераспределение нагрузок, определяемое высотой центра тяжести, уменьшается и соответственно уменьшается влияние высоты центра тяжести на эффективность ПЭС. Пренебрежимо малое влияние ширины колеи автомобиля объясняется ее малым влиянием на перераспределение нагрузок спереди и сзади автомобиля. Подводя итоги можно сказать, что применение ПЭС будет особенно эффективно на автомобилях со смещенным вперед и высоким центром тяжести и при малой нагрузке, т.е. на переднеприводных автомобилях. Кроме того, применение ПЭС в этом случае выгодно еще и потому, что момент инерции задних колес невелик из-за отсутствия связи их с трансмиссией, что снижает требования к модулятору давления.
Объект исследования и экспериментальное оборудование
Объектом исследования был выбран серийный автомобиль АЗЖ-2І40, оборудованный в соответствии с задачами экспериментального исследования соответствующим экспериментальным оборудованием и комплексом измерительной аппаратуры (рис. 3.1). Экспериментальное оборудование представляло из себя макет ПЗС, который состоял из: 1. Вакуумного модулятора давления в тормозах задних колес. 2. Блока управления. 3. Датчиков, Схема экспериментального тормозного привода с вакуумным модулятором давления представлена на рис. 3.2, а на рис. 3. модулятор показан установленный на автомобиле в моторном отсеке. Модулятор состоит из цилиндра I, соединенного трубопроводами с главным тормозным цилиндром 2 и с рабочими цилиндрами задних колес 3. В цилиндре находится, с возможностью перемещения в нем, плунжер 4, взаимодействующий с шариковым клапаном отсечки 5 рабочих тормозных цилиндров задних колес от главного тормозного цилиндра. Плунжер 4 в исходном положении подперт предварительно сжатой пружиной 6, Между плунжером 4 и пружиной 6 находится диафрагма 7 вакуумной камеры.
Полость 8 вакуумной камеры постоянно соединена через обратный клапан 9 с впускным коллектором 10 двигателя автомобиля, а полость II через электромагнитный клапан 12 может соединяться, в зависимости от состояния этого клапана, или с впускным коллектором или с атмосферой. Для контроля и тарировки датчика давления ІЗ в систему был установлен также эталонный манометр 14, Предварительные испытания модулятора на автомобиле выявили тот недостаток, что после первого срабатывания второе происходит значительно медленнее из-за того, что объема заключенного в обеих полостях вакуумной камеры недостаточно для многократного надежного срабатывания модулятора. По этой причине в дополнение к этим объемам был смонтирован ресивер объемом 5 литров, после чего работа модулятора стала удовлетворять предъявляемым к нему требованиям. Работает модулятор следующим образом. В исходном состоянии плунжер 4 подпирается пружиной 6 и обеспечивает открытое состояние шарикового клапана отсечки 5, посредством чего главный тормозной цилиндр 2 сообщается с рабочими тормозными цилиндрами задних колес 3, что не препятствует их торможению Электромагнитный клапан 12 в этом положении обесточен и обеспечивает связь полости II с впускным коллектором 10 двигателя. При необходимости сброса давления в тормозах задних колес на электромагнитный клапан 12 подается напряжение с блока управления и он переходит в состояние, когда полость II отсоединяется от впускного коллектора 10 и соединяется с атмосферой. Вследствие разности давления с разных сторон диафрагмы 7 происходит ее перемещение и плунжер 4, которому теперь ничто не мешает, за счет давления тормозной жидкости перемещается, причем он сначала закрывает шариковый клапан 5 и этим разъединяет рабочие цилиндры 3 от главного 2, а также потом увеличивает объем в системе, посредством чего давление в не! падает и происходит растормаживание задних колес. Затормаживание происходит в обратном порядке.
Блок управления, принципиальная схема которого показана на рис. 3,4 представляет собой аналоговую вычислительную машину, собранную на операционных усилителях и реализующую два алгоритма работы ПЗС, которые были описаны в п, 2,6. Необходимо отметить, что алгоритмы реализованы в блоке управления лишь в той мере, в какой необходимо, чтобы проверить основные положения теории. Блок управления состоит из трех частей: главной, реализующей общие принципы для обоих алгоритмов (она на рис. 3.4 не обведена пунктиром), и двух вспомогательных, обеспечивающих работу блока по соответствующему алгоритму в зависимости от положения переключателя S1.
