Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состоние вопроса. Задачи исследования 9
1.1. Тормозная система современного легкового автомобиля 9
1.2. Задача проведения доводочных испытаний автомобилей с АБС 15
1.3. Обзор методик дорожных испытаний автомобилей с АБС 20
1.4. Методы испытаний автоматизированных тормозных систем в лабораторных условиях 27
1.4.1. Стендовые испытания тормозных систем 27
1.4.2. Методы моделирования процесса торможения автомобиля 30
1.4.3. Опыт применения комплексной технологии моделирования 32
1.5. Цель и задачи исследования 40
Глава 2. Принципы разработки технических средств комплексной технологии моделирования (применительно к задаче доводочных испытаний автомобилей с АБС) 42
2.1. Общая схема комплексной моделирующей установки 42
2.2. Принципы построения измерительной системы 45
2.3. Структура и функции управляющего вычислительного комплекса 49
2.4. Условия достоверного моделирования работы датчиков АБС .51
Глава 3. Математическая модель автомобиля с АБС и его подсистем для лабораторных доводочных испытаний 58
3.1. Принципы построения математической модели 58
3.2. Расчетная схема пространственной модели двухосного автомобиля 62
3.3. Уравнения, описывающие движение колеса в режиме торможения 66
3.4. Математическое описание траектории движения автомобиля 72
3.5. Моделирование работы тормозного механизма 74
3.6. Моделирование работы рулевого управления 77
3.7. Моделирование работы подвески 79
3.8. Моделирование работы трансмиссии автомобиля в режиме торможения 81
3.9. Моделирование дорожных условий движения автомобиля 82
3.10. Моделирование действий водителя применительно к задачам доводочных испытаний автомобиля с АБС 86
Глава 4. Комплексная моделирующая установка для проведения доводочных испытаний автомобилей с АБС 89
4.1. Электрогидравлическая схема установки 89
4.2. Описание испытательного оборудования 92
4.2.1. Требования к характеристикам персонального компьютера 92
4.2.2. Выбор устройства сопряжения 94
4.2.3. Датчики давления 97
4.2.4. Средства моделирования работы индукционных датчиков АБС 99
4.2.5. Описание программного обеспечения 99
4.3. Описание объекта испытаний 102
4.4. Результаты моделирования процесса торможения с использованием собранной установки 109
Глава 5. Условия и режимы проведения испытаний антиблокировочных устройств на комплексной моделирзющей установке 116
5.1. Структура доводочных испытаний АБС при использовании комплексной технологии моделирования 116
5.2. Мероприятия подготовительной стадии лабораторных испытаний 119
5.2.1. Подготовка математической модели и средств ее реализации 119
5.2.2. Подготовка тормозной системы 123
5.2.3. Методика расчета погрешности измерительного канала 124
5.3. Порядок проведения испытаний по оценке влияния АБС на эксплуатационные свойства автомобиля в режиме торможения на К М У 128
5.4. Порядок и способ обработки экспериментальных данных 138
Основные результаты и выводы 141
Список использованной литературы 143
- Задача проведения доводочных испытаний автомобилей с АБС
- Структура и функции управляющего вычислительного комплекса
- Моделирование действий водителя применительно к задачам доводочных испытаний автомобиля с АБС
- Результаты моделирования процесса торможения с использованием собранной установки
Задача проведения доводочных испытаний автомобилей с АБС
Широкое применение систем, регулирующих проскальзывание колеса в процессе торможения, подразумевает проведение значительного объема испытательных работ по выявлению эксплуатационных свойств автомобилей, оснащенных этими системами. Сложность объекта управления, в качестве которого выступает автомобиль в процессе торможения, не позволяет ограничиться обособленным (без участия самого АТС или его модели) испытанием одной только автоматизированной тормозной системы.
Согласно ГОСТ 16504 [11] первые опытные образцы проходят в заводских условиях доводочные испытания для их проверки на соответствие требованиям нормативных документов и для оценки эффекта вносимых в них изменений (см. табл. 1.2.). В ходе доводочных испытаний могут одновременно проверяться несколько опытных вариантов конструкций, отличающихся либо составом комплекта изделия, либо какими-то техническими характеристиками, для того, чтобы можно было определиться с выбором оптимального варианта.
По применяемым средствам испытаний, условиям и месту проведения можно выделить лабораторные и полигонные испытания. Появившаяся в последнее время компактная цифровая вычислительная техника, оснащенная комплексом измерительной аппаратуры, позволила проводить полигонные испытания автомобилей на качественно новом уровне, повысить их информативность, уменьшить трудоемкость и материальные затраты на разработку и доводку АБС [48, 54]. Однако до сих пор остается нерешенным целый ряд задач, возникающих при проведении испытательных работ по выявлению эксплуатационных свойств автомобилей с АБС. Из практики испытаний автомобиля хорошо известно, что многократные торможения автомобиля на том же участке дороги, несмотря на сохранение условий испытаний (температура трущихся поверхностей, усилие на педали, скорость движения перед торможением), никогда не дают совпадающих результатов. Расхождение между отдельными измерениями одной серии могут достигать 15-20 % [60]. Одной из причин такого положения является большое количество случайных возмущений в системе "Автомобиль - Водитель - Дорога". Основными источниками возмущений являются стохастические изменения микропрофиля и сцепных свойств дорожной поверхности, колебания подрессоренных масс и механические информационные помехи на входе блока управления АБС. О степени влияния этих факторов на динамику торможения можно судить по тем данным, которые были получены И.К. Пчелиным и В.А. Иларионовым [61]. Согласно этим данным тормозной путь автомобиля с АБС в общем случае увеличивается на 35 %, а время торможения - на 45 % по сравнению с аналогичными величинами, определенными без учета подвески и случайных возмущений. Большой размах результатов испытаний вынуждает увеличивать объем дорожных экспериментов, поскольку в этом случае тормозные свойства автомобиля можно определить, лишь проанализировав большой массив данных, полученный при многократных заездах. Например, чтобы с достаточной точностью оценить величину математического ожидания тормозного пути автомобиля с АБС, необходимо провести как минимум 6-8 заездов [63]. Поскольку методика испытания АБС предусматривает более двух десятков различных режимов торможения (согласно методике ЕЭК ООН [59]), общее количество контрольных заездов за время проведения доводочных испытаний только одного опытного образца АБС будет исчисляться сотнями.
Для испытаний АБС требуются специальные участки дорог. Согласно Правилам №13 (06) БЭК ООН должны быть участки с "высоким" и "низким" коэффициентами сцепления, а также сочетание этих участков, при которых автотранспортное средство в процессе торможения движется одним бортом на участке "высоким" сцеплением, а другим бортом - на участке с "низким" (испытание "микст") или переходит с одного участка на другой (испытание "переход") (см подраздел 1.3). На рисунке 1.2 в качестве примера приведена схема участка испытательного центра "ЮТАК" (Франция). Основной участок с "низким" сцеплением шириной 6 м выложен из базальтовых плиток размером 200x200 мм и весом 4,5 кг каждая. Для того, чтобы изготовить плитки, необходимо прежде всего при 1 1300 С расплавить камень базальт. После того, как жидкий камень затвердеет, он превращается в кристаллическую стекло- керамическую плитку большой прочности, стойкой к воздействию эрозии и температуры. Низкий коэффициент трения достигается посредством шлифования и полирования базальтовых плиток.
Стоимость таких специальных покрытий значительна: например, сметная стоимость всего участка испытательного центра "ЮТАК" (Франция) составила 1млн 200 тысяч франков [50]. Подобные сооружения построены в России только на Центральном автополигоне НИЦИАМТ [51]. Таким образом, для того, чтобы провести полноценные дорожные испытания на стадии доводки АБС, отечественные автомобилестроители будут вынуждены арендовать именно этот единственный автополигон, что не может не привести к существенному увеличению стоимости производимых испытаний.
Испытания нескольких вариантов конструкций разрабатываемой системы проводятся методом сравнения состояний. Указанный метод предполагает стабильность условий проведения заездов. Обеспечить постоянство условий проведения дорожных испытаний чрезвычайно сложно. В любом случае из менение технического состояния АТС, самочувствие водителя, погодные условия и пр. неизбежно скажутся на результатах испытаний.
Ситуация с проведением дорожных доводочных испытаний усугубляется еще одной, не менее важной проблемой: испытания с АБС проводятся в самых неблагоприятных дорожных условиях ("микст", "переход", скользкая поверхность с ф 0,3) и на опасных скоростных режимах (У 0,8Упгах 120 км/ч) [59]. Если испытывать неотработанные образцы антиблокировочных систем, можно ожидать случаи потери управляемости и устойчивости автомобиля с непредсказуемыми последствиями
Все вышеизложенное в данном подразделе приводит к следующему выводу. Решающее преимущество дорожных испытаний перед стендовыми методами испытаний АБС заключается в наибольшей достоверности получаемых результатов и в возможности дать автомобилю и тормозной системе субъективную оценку (ощущения водителя). Поэтому дорожные тесты являются необходимой частью доводочных, предварительных и приемочных испытаний, которые проходят опытные образцы АБС. Однако, исходя из требований безопасности и по экономическим соображениям, целесообразно максимально сократить объем дорожных испытаний. А это, в свою очередь, означает, что значительную часть исследовательских и доводочных работ перед проведением дорожных испытаний автомобилей с АБС следует проводить в лабораторных условиях.
Структура и функции управляющего вычислительного комплекса
Одним из непременных требований адекватного воспроизведения изучаемых процессов на лабораторном стенде является корректное моделирование (воспроизведение) работы датчика АБС. В противном случае мы можем внести погрешность уже на начальном этапе комплексного представления изучаемого образца. В современных АБС наиболее распространенным является датчик генераторного типа, реже встречается инерционно- механический датчик подобный тому, который устанавливается фирмой Lucas- Girling (система SCS). В данном разделе основное внимание уделяется технологии моделирования работы генераторного датчика.
Перед тем как сформулировать требования к выбору средств реализации модели датчика АБС, необходимо рассмотреть особенности функционирования датчика. Индукционные генераторные датчики состоят из электромагнита (сердечник с намотанным на него катушкой) и стального зубчатого диска, вращающегося вместе с колесом на одной оси. Постоянный магнит создает магнитное поле, которое замыкается через зубчатый ротор, изготовленный из магнитомягкого материала. Изменение зазора при прохождении зуба вблизи статора приводит к изменению магнитного потока, что, в свою очередь, обусловливает изменение напряжения на выводах катушки с частотой, пропорциональной угловой скорости вращения колеса и числу зубьев ротора. Амплитуда сигнала пропорциональна скорости движения автомобиля. Скважность сигнала не зависит от значений угловой скорости колеса, однако, колеблется в зависимости от толщины зубцов ротора датчика.
Выходной сигнал датчика после первичной обработки (например, после усиления) преобразуется в цифровой сигнал (Рис. 2.4) и поступает на вход контроллера (микроЭВМ). Аналого- цифровой преобразователь можно представить в виде устройства, содержащего счетчик импульсов (CT), логический элемент (Т) и генератор эталонной частоты f, (G) (Рис. 2.5) [73].Схема управления логическим элементом обеспечивает подачу на счетчик импульсов частот fэ в интервале х=1/Г(1). Определяющей величиной в этом случае для измерения окружной скорости колеса является величина периода Хизм (способ измерения по периоду), т.е. интервала времени между сменами двух и более числа зубцов. Количество импульсов на выходе стробирующей схемы запоминается счетчиком СТ. При другом способе измерения угловой скорости колеса счетчик определяет количество импульсных сигналов Нх на фиксированном временном интервале Тх (частотный способ измерений). Известен также способ измерения скорости с усреднением, сочетающий особенности вышеперечисленных способов. В данном случае угловая скорость определяется по двум параметрам: количеству импульсов Ых, поступивших в течение фиксированного времени Та, и по количеству импульсов, которые были воспроизведены генератором эталонной частоты в промежуток времени между окончанием периода Та до момента поступления нового сигнала с датчика АБС [73, 76, 85]. Третий способ наиболее точен, поскольку устраняет влияние изменения угловой скорости колеса на погрешность счета (так называемая статическая или цифровая погрешность, возникающая вследствие случайных различий фазы открытого состояния стробирующей схемы). В качестве способов приема импульсных сигналов в микроЭВМ используются обработка сигналов по прерыванию или периодическое чтение данных с порта. Можно выделить следующие основные причины погрешности измерения угловой скорости колеса с использованием индукционных датчиков [69, 73, 85]: 1) механические информационные помехи на входе алгоритма управления АБС, вызванные закруткой подвески и шины совместно с возмущениями от неровностей дороги; 2) погрешности измерения из-за инструментальной погрешности нарезки зубцов ротора; 3) погрешность, вызванная эксцентриситетом ротора датчика скорости; 4) методическая погрешность принципа измерения угловой скорости колеса. Знание величины и механизма образования помех позволяет проверить работоспособность АБС в условиях действующих возмущений, а также определить необходимую точность воспроизведения сигналов моделируемого датчика. В современных АБС для повышения быстродействия счетная схема АЦП определяет угловую скорость колеса табличным способом, причем переводные таблицы выполнены на базе микросхем постоянных запоминающих устройств. Известно, что число уровней квантования АЦП определяется динамическим диапазоном входных сигналов и допустимыми шумами квантования АЦП: если эти величины известны, то шаг квантования АЦП выбирается равным (1...3)аш, где Ош - среднее квадратичное отклонение шума на входе АЦП. Математическая теория систем управления с частотными датчиками определяет число уровней квантования величины скорости и ускорений при цифровой обработке, необходимых для получения заданной точности этих величин (см. таблицу 2.1) [73].
Моделирование действий водителя применительно к задачам доводочных испытаний автомобиля с АБС
Применимость полунатурного моделирования в качестве метода испытаний антиблокировочных систем зависит от того, насколько полно в математической модели, предназначенной для реализации на цифровой ЭВМ, учитываются следующие требования: 1) возможность определения критериев оценки качества работы АБС; 2) отражение регламентированных в нормативных документах условий и режимов проведения испытаний; 3) учет влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на процесс торможения автотранспортных средств; 4) возможность работы в реальном масштабе времени цифровой вычислительной техники с различными характеристиками производительности (при этом подразумевается применение как одного отдельного компьютера, так и целого комплекса вычислительной техники, объединенной в локальную сеть). Непременным условием комплексного решения проблем, возникающих в процессе создания и машинной реализации модели, является наличие в основе моделирующей системы единой формальной математической схемы. Такая схема должна одновременно выполнять несколько функций: являться адекватным математическим описанием объекта моделирования, служить основой для построения алгоритмов и программ при машинной реализации модели, позволять в упрощенном варианте (для частных случаев) проводить аналитические исследования. В основу моделирования сложных технических систем положен агрегативный метод. При агрегативном описании сложный объект разбивается на конечное число частей (подсистем), сохраняя при этом связи, обеспечивающие их взаимодействие. При составлении моделей для комплексной технологии моделирования целесообразно в основу разбиения системы "Автомобиль- Водитель- Дорога" (А-В-Д) положить традиционное тяготение конструкторов к реальному автомобилю, т.е. строить модель в виде отдельных формализованных блоков описания (модулей), приняв за критерий их объединения соответствие математического описания объектов их физическим прототипам и тем процессам, которые они реализуют. Тогда совокупность выделенных подсистем и модулей составит структурную схему А-В-Д, взаимосвязи которой показаны на Рис. 3.1. Из него видно, что к внешним воздействиям на подсистему "Автомобиль" относятся дорожные неровности (микропрофиль), форма проезжей части в плане, проектные уклоны дорог. Функции водителя для рассматриваемого режима движения сводятся к преобразованию поступающей информации о положении автомобиля на дороге в определенное положение органов управления, таких как рулевое колесо и тормозная педаль. Предлагаемый модульный принцип составления математической модели подсистемы "Автомобиль" позволяет совершенствовать модель итерационным методом, который дает возможность добавлять или убирать блоки, изменять их математическое наполнение, сохраняя при этом состав формальных связей для полного описания объекта. Итерационный процесс продолжается до тех пор, пока для решения поставленной задачи не получена модель, которую можно считать наиболее полно отражающей физические и временные процессы, протекающие в реальных объектах. Совершенствование модели ведется с учетом приоритета тех или иных модулей системы. Наивысший приоритет имеют модули "Колесо" и "Кузов", т.к. без них в принципе невозможно смоделировать движение автомобиля. Второй приоритет значимости имеет модуль "Тормозная система", который в соответствии с целью данной работы, необходим для моделирования торможения автомобиля. Третий приоритет значимости имеют модули, направленные на уточнение модели или решение каких-либо подзадач. Третий приоритет имеют модули "Подвеска", "Рулевое управление", "Трансмиссия". Такое расположение модулей в подсистеме "Автомобиль", когда в первую очередь обрабатываются модули, имеющие наивысший приоритет, позволяет уже на ранних стадиях моделирования обнаружить невозможность решения задачи, недостаточность связей с другими модулями или нехватку исходных данных. Подобное разбиение подсистемы "Автомобиль" минимизирует число взаимодействий между модулями, что наилучшим образом сказывается на одной из задач исследования - скорости решения модели на ЭВМ.
Поскольку система дифференциальных уравнений, описывающих динамику торможения двухосного автомобиля, имеет ярко выраженный нелинейный характер, ответ на вопрос о возможности аналитического решения системы может быть только отрицательный. Задачи данного типа решаются путем применения численных методов. Крайне важно правильно выбрать численный метод решения дифференциальных уравнений. В данном случае целесообразно использовать методы прогноза- коррекции и Эйлера, которые при шаге интегрирования А1=0,001 с позволяют на персональном компьютере в режиме реального времени с хорошей точностью определить показатели тормозной динамики автомобиля [35].
Выделение "быстрых" и "медленных" динамических подсистем, интегрирование дифференциальных уравнений которых производится с разным шагом, позволяет повысить скорость вычислений. Для обеспечения работы модели сложного физического объекта в реальном времени в процессе исследования используются также следующие направления:
Результаты моделирования процесса торможения с использованием собранной установки
Исходные данные для работы вычислительного комплекса задаются оператором установки посредством программного модуля "INTERFACE", разработанного с использованием системы программирования Delphi. Задаются начальные условия и режимы процесса торможения автомобиля, конфигурация математической модели, имя файла записи результатов расчета. Значения конструктивных параметров автомобиля, характеристики дорожного полотна, характеристики водителя содержатся в базе данных " P A R A V T O " . Ввод - вывод аналоговой и цифровой информации через плату АЦП - ЦАП осуществляется с использованием программного пакета " L C A R D " , основную часть которого составляет динамическая библиотека "Lcard.dll". Данная библиотека функций позволяет использовать практически все возможности платы, не вдаваясь в тонкости программирования на уровне Ассемблера и портов ввода - вывода, и может быть использована совместно с большинством существующих систем программирования. В качестве базовых языков используются языки Си и Паскаль.
Настройка измерительного канала (тестирование, тарировка датчиков, оценка погрешности измерения) осуществляется с использованием про-фаммного модуля "SENSOR". Математическое моделирование процесса торможения производится программным модулем " D V A V T O " , созданного с использованием языка программирования " F O R T R A N " и подключенного в виде динамической библиотеки к модулю "INTERFACE". Выбор языка программирования " F O R T R A N " объясняется наличием обширной библиотеки математических функций, а также минимальными потерями времени на проведение математических вычислений по сравнению с другими языками программирования того же уровня. Графическое представление результатов моделирования производится при помощи редакторов модуля "ОКАПКГ .
На универсальном тормозном стенде установлены составные части рабочей тормозной системы автомобиля ВАЗ-2106 и агрегаты антиблокировочной системы. Главный тормозной цилиндр, гидромагистрали, рабочие тормозные цилиндры и тормозные механизмы собраны в точном соответствии со схемой их расположения на обычном легковом автомобиле. В качестве рабочей тормозной жидкости в универсальном тормозном стенде использована тормозная жидкость "Нева".
Функции исполнительного механизма АБС осуществляет электромагнитный клапан УЭ-24/1-2 совместно с модулятором давления ИЖ (Рис. 4.9, 4.10, 4.11). Исполнительный механизм работает следующим образом: 1. При обесточенном электромагните 6 пружина 3 прижимает золотник 14 отсечной кромкой к фаске втулки 13 (Рис. 4.9). При этом штуцер со стороны гидроаккумулятора (вход "Давление") запирается, а жидкость из управляющей полости А модулятора поступает на слив. При отсутствии давления в управляюЕдей полости поршень 13 (Рис. 4.10), находящийся в крайнем правом положении, открывает шариковый запорный клапан 5, сообщая главный тормозной цилиндр с рабочим тормозным цилиндром. 2. При включенном электромагните 6 якорь 7 при помощи толкателя 5 перемещает золотник 14 до упора его отсечной кромкой в фаску гильзы 12 (Рис. 4.9). При этом штуцер "Слив" запирается, а модулятор сообщается через центральный канал золотника 14 с гидроаккумулятором. При появлении управляющего давления поршень 16 через шток 14 смещает поршень 13 (Рис. 4.10). При этом шариковый запорный клапан 5 закрывается, разобщая главный и рабочий тормозные цилиндры. Дальнейшее перемещение поршня 13 приводит к увеличению объема внутренней полости модулятора, что приводит к падению давления в рабочем тормозном цилиндре. При сбросе управляющего давления пружина И возвращает поршень 13 в исходное положение, клапан 5 открывается, соединяя главный тормозной цилиндр с тормозным механизмом. В качестве логического блока АБС был применен один из вариантов электронного блока управления, разработанного НИИАП (г. Москва) -КЗАМЭ (г. Калуга). На стадии разработки он включал в себя следующие основные элементы (Рис. 4.12, 4.13): 1) вторичный источник питания ВИП-1, предназначенный для преобразования постоянного напряжения аккумуляторных батарей в напряжение питания функциональных блоков; 2) преобразователь "частота - напряжение" ПЧН-1А, предназначенный для преобразования частотного сигнала датчика состояния колеса в аналоговый сигнал, пропорциональный частоте; 3) устройство управления УУ-2Б, которое на основе анализа изменения входного сигнала выдает команды на срабатывание исполнительного механизма АБС; 4) усилитель мощности сигналов управления УМ-2, установленный в цепи каждого из электроклапанов управления; 5) узел контроля работы системы УК-2. Блок управления НИИАП-КЗАМЭ предназначен для функционирования в режиме трехфазного цикла: затормаживание колеса; растормаживание или "выпуск", при котором происходит сброс давления рабочего тела из тормозных цилиндров, и выдержка, или "отсечка", при котором давление рабочего тела в рабочих тормозных цилиндрах остается неизменным. Противоблокировочная тормозная система с электронным блоком управления НИИАП-КЗАМЭ работает следующим образом. Начало процесса торможения осуществляется аналогично торможению со штатной тормозной системой. При вхождении колеса в юз начинает резко уменьшаться его угловая скорость со у . Снимаемый с датчика АБС уменьшающийся частотный сигнал поступает на вход ПЧН-1А электронного блока, в устройстве управления которого происходит сравнение сигнала С0л, пропорционального угловой скорости колеса, с формируемым сигналом задатчика СОЗ. При са у (0з подается команда по каналам "отсечка" и "выпуск" на растормаживание, что приводит к срабатыванию исполнительного механизма АБС и к снижению давления в рабочих тормозных цилиндрах. Продолжительность командньж сигналов по каналам "вьшуск" и "отсечка" различная: канал "вьшуск" обесточивается при смене знака углоюго ускорения колеса соу, канал "отсечка" обесточивается лишь по -еле полной раскрутки колеса.
