Содержание к диссертации
3.8. Математическая модель легкового автомобиля с независимыми передней и задней подвесками 156
3.9. Кинематические характеристики подвески связанные с управляемостью и устойчивостью 163
3.10. Кинематические характеристики подвески при торможении и разгоне 168
3.11. Нахождение некоторых параметров для обобщенных моделей 173
3.12. Динамические характеристики управляемости и устойчивости автомобиля 186
3.13. Обобщенные характеристики управляемости и устойчивости автомобиля 195
3.14. Анализ показателей управляемости и устойчивости автомобиля ВАЗ 2109 с помощью пространственной компьютерной модели 209
3.15. Анализ показателей устойчивости и управляемости автомобиля ВАЗ 2123 с помощью пространственной компьютерной модели 222
4. Глава 4. Выбор рациональной кинематики рулевого привода по критерию минимального износа шин 237
4.1. Влияние кинематики рулевой трапеции на износ шин 237
4.2. Расчет износа шин при движении автомобиля по дороге со случайным профилем 247
4.3. Износ шин ВАЗ 2123 при движении автомобиля по дороге со случайным профилем 248
4.4. Влияние кинематических погрешностей подвески и рулевого управления на износ шин 255
5. Глава 5. Роль аэродинамических сил и моментов в управляемости и устойчивости автомобиля 261
5.1. Уравнения пространственного движения автомобиля как связанной системы тел с учетом аэродинамических сил и моментов 261
5.2. Определение параметров аэродинамических сил в модели пространственного движения автомобиля 263
5.3. Влияние аэродинамических сил и моментов на управляемость автомобиля ВАЗ 2123 274
5.4. Влияние встречной и боковой ветровой нагрузки на управляемость автомобиля ВАЗ 2123 277
5.5. Влияние типа привода автомобиля на управляемость автомобиля ВАЗ 2123 с учетом аэродинамики 280
5.6. Построение обобщенной силовой диаграммы с учетом аэродинамических сил и моментов 283
6. Основные результаты и выводы 291
7. Литература 295
Приложение 1. Модуль расчета силовых реакций шины 313
Приложение 2. Модуль расчета тяговых или тормозных сил в колесах 325
Приложение 3. Модуль пилота для управления рулевым колесом 332
Приложение 4. Модуль расчета аэродинамических сил и моментов, действующих на автомобиль 338
Приложение 5 Акты о внедрении
Введение к работе
Практика создания отечественных автомобилей показывает, что в общем времени на их разработку до 60-70% затрачивается на проведение исследовательских и испытательных работ большой трудоемкости. Сократить это время и трудозатраты можно лишь за счет развития теоретических методов прогнозирования эксплуатационных свойств автомобиля, подтвержденных экспериментально. Многолетние экспериментальные и теоретические исследования, проведенные автором по заказам автомобильных заводов, позволили создать комплекс экспериментальных и теоретических методов, направленных на решение конкретных проблем управляемости и устойчивости автомобилей. Следует отметить, что исследования, проводимые по этим проблемам в начале 60-70 г.г. прошлого столетия, при сопоставлении теоретических и экспериментальных результатов показывали сходимость 25%-30%, а дальнейшая доводка автомобилей проводилась экспериментальным путем, что по требованиям того времени было приемлемым. Однако, к концу 20 века, в связи с ужесточением сертификационных и других нормативов, потребовалось существенно сократить время и повысить эффективность проектных работ с целью уменьшения затрат на экспериментальную доводку по решению конкретных задач, связанных с влиянием кинематики рулевого управления, кинематики и угловой жесткости подвески, характеристик шин и аэродинамических качеств на управляемое движение автомобиля.
Активная безопасность автомобиля в большой степени зависит от его управляемости. Анализ статистических данных США показывает, что около 30% автомобильных катастроф происходит из-за потери управляемости, причем большинство дорожных происшествий при этом связано с заносом и отклонением от траектории движения незаторможенного автомобиля на дорогах с сухим покрытием.
Управляемость - свойство системы автомобиль-водитель, определяющее траекторию, положение и скорость автомобиля. В этой системе имеется управляющее звено - водитель, и управляемое - автомобиль, взаимодействие которых и определяет характер изменения параметров движения. Реакции автомобиля, возникающие на выходе системы под воздействием внешних возмущений, через обратную связь вызывают соответствующие действия водителя. Вместе с информацией о реакциях автомобиля на возмущения водитель также получает массу другой информации, в результате обработки которой принимает решение и воздействует на органы управления автомобиля. При этом, на вырабатываемое водителем решение, оказывает влияние множество самых разнообразных факторов, в том числе и психологические, которые практически не поддаются учету и описанию. Множество ситуаций, возникающих и мгновенно меняющихся, а также разнообразие характеристик водителей в зависимости от их опыта, темперамента, реакций, возраста, настроения - все это определяет совокупность действий водителя, называемых процессом управления автомобилем. Вместе с тем, описание характера и физиологии водителя является весьма многофакторным, что может привести к значительным ошибкам при моделировании. В связи с этим он обычно заменяется некоторыми возмущениями (импульсом в виде поворота рулевого колеса). Поэтому изучение реакций автомобиля на возмущения представляет значительный интерес.
Реакции автомобиля полностью зависят от его статических и динамических свойств, т.е. полученному автомобилем импульсу в данных условиях, соответствуют вполне определенные реакции, которые в свою очередь зависят от конструктивных параметров автомобиля, в том числе и рулевого управления (кинематики рулевой трапеции, жесткости системы рулевого управления), а также от характеристик шин, кинематики и угловой жесткости подвески и аэродинамических качеств.
Исследованиям влияния конструктивных параметров автомобиля на его управляемость посвящено сравнительно большое количество работ. Однако вопросы взаимосвязи кинематики рулевой трапеции, жесткости всей системы рулевого управления с учетом возможного изменения других параметров автомобиля и реакций автомобиля изучены еще недостаточно. Еще меньше исследовано влияние кинематики трапеции на износ шин. К задачам, которые не были ранее решены или решены не полностью, можно также отнести следующие: проблемы прогнозирования показателей управляемости и устойчивости автомобиля с учетом кинематики и силовых параметров подвески ,аэродинамики, характеристик шин и взаимодействия основных конструктивных систем автомобиля. Решение этих проблем может в значительной степени повысить качество и сократить сроки проектных работ при создании автомобилей, что и определяет актуальность темы диссертации. На основании анализа состояния проблемы была определена цель данной работы: развитие теории и методов исследования управляемого движения автомобиля, направленное на сокращение сроков проектирования и доводки за счет прогнозирования показателей управляемости и устойчивости автомобиля.Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: а. разработка методики выбора рациональной кинематики рулевого привода с учетом его упругости и взаимодействия с основными конструктивными системами автомобиля; б. создание экспериментальной базы и методик проведения натурных исследований для получения достоверной информации с целью оценки адекватности и точности математических моделей при теоретических исследованиях; в.разработка метода прогнозирования износа шин;г.создание метода оценки влияния аэродинамических сили моментов на управляемость и устойчивость автомобиля.
Данная работа является итогом многолетних исследований по этой тематике, проведенных на кафедре "Автомобили" им. Е. А. Чудакова МГТУ "МАМИ" по заказам автомобильного завода имени Ленинского комсомола, Запорожского автомобильного завода "Коммунар", а также на кафедре "Автомобили и двигатели" Московского государственного индустриального университета по заказам ВАЗ а , КАМАЗ а и ЗИЛ а. Резуль 8 таты работы по плану НИР НИАЛ Министерства автомобильной промышленности (1963-1970 г.г.) и методика экспериментального исследования были использованы заводами при разработках новых конструкций рулевых управлений (см. приложение), а также авторами отдельных работ [42, 88, 95] . Дорожные испытания автомобилей проводились на площадках и дорогах Москвы, Крыма и Автополигона НАМИ, а лабораторные - на кафедре "Автомобили" МАМИ, в отделах Главного Конструктора АЗЛК , ЗАЗ аиВАЗ а.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов и приложения.
В первой главе проведен обзор трудов отечественных и зарубежных авторов, посвященных проблемам управляемости и устойчивости автомобиля. Особенно выделены работы по исследованию влияния конструктивных систем автомобиля на параметры его движения, авторами которых являются: Аксенов П.В., Антонов Д.А., Бахмутов СВ., Гинцбург Л.Л., Дик А.,
Григолюк Э.И., Катанаев Н.Т., Коровец В.Н.,Колесников К.С., В.Ф., Полунгян А.А., Платонов В.Ф., Петрушов В.А.,Эллис Д.Р. .Анализ существующих работ по теории управляемости и устойчивости автомобилей и ряд выявленных новых вопросов, которые должны рассматриваться при прогнозировании показателей движения автомобиля позволили выделить и обосновать необходимость решения ряда задач для достижения цели диссертации.
Во второй главе дается описание уникального экспериментального оборудования и методик, разработанных для получения реальных данных по характеристикам конструктивных систем автомобиля и параметров его движениял а так же приводятся результаты натурных исследований.
В третьей главе рассматриваются методы и модели, применяемые при исследованиях управляемости и устойчивости автомобиля. Приводится разработанная модель рулевого управления. На основе анализа использования математических моделей рассматриваются вопросы применения пространственных моделей автомобилей, способных содержать в себе большое количество информационных факторов и обеспечить наилучшую адекватность результатов теоретических и экспериментальных исследова 9 ний. С этой целью в работе для построения, решения и анализа пространственных моделей автомобиля адаптируется программный комплекс моделирования ФРУНД.
В четвертой главе решается проблема прогнозирования износа шин при движении по случайному профилю и влияние микропрофиля на показатели управляемости автомобиля.
В пятой главе выполнено математическое описание пространственной модели, позволяющей определять показатели устойчивости и управляемости автомобиля с учетом действия аэродинамических сил и момен-тов.Проводится исследование влияния аэродинамических сил и моментов на эти показатели.
Научная новизна заключается в следующем:
-в принципиально новой математической модели автомобиля. Предложенная пространственная модель учитывает такие факторы, как эласто-кинематику подвески, изменение кинематических характеристик при силовом воздействии, изменение положения оси и центра бокового крена подрессоренной массы автомобиля, механику шин, кинематику и жесткость рулевого управления ,что дает возможность с высокой степенью точности прогнозировать показатели управляемости и устойчивости автомобиля;
-разработанные в диссертации уникальные экспериментальный комплекс и методики позволяют исследовать и регистрировать параметры криволинейного движения автомобиля, характеристики шин, жесткости рулевого привода, необходимые для определения адекватности и точности математической модели;
-разработана методика выбора рациональной кинематики рулевого привода по новому критерию, базирующимся на минимизации износа шин в условиях криволинейного движения автомобиля;
-на основе пространственных компьютерных моделей создана методика выбора конструктивных систем автомобиля, позволяющая на стадии проектирования с высокой точностью анализировать влияние конструктивных систем автомобиля на параметры его движения;
-впервые на основе созданной пространственной компьютерной модели проведен анализ и получены результаты влияния аэродинамических характеристик автомобиля на его управляемость и устойчивость;
-разработана методика прогнозирования износа шин при движении автомобиля по случайному микропрофилю с учетом возможных кинематических погрешностей подвески и рулевого привода, влияющих на его управляемость.
-в результате теоретических и экспериментальных исследований сформулирован новый научный подход к прогнозированию показателей управляемости и устойчивости автомобилей на основе имитационного математического моделирования и натурных исследований.
На защиту выносятся основные положения нового научного подхода к решению проблемы повышения управляемости и устойчивости автомобиля за счет применения комплексного экспериментально-теоретического метода, позволяющего получать необходимые характеристики конструктивных систем автомобиля на стадии проектирования и доводки и позволяющего снизить временные и материальные затраты на этот процесс.
В заключение сделаны выводы и рекомендации, вытекающие из работы.
