Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Анализ работ по изучению управляемости и устойчивости автомобиля относительно заданной траектории 8
1.2. Анализ существующих методов записи.траектории движения автомобиля 17
1.3. Цель и задачи исследования 20
Глава II. Исследование системы "водитель-автомобиль" по условиям требований инженерной, психологии и безопасности движения 22
2.1. Инженерно-психологическая оценка системы "водитель-автомобиль" на этапе проектирования 23
2.2. Математическое описание бокового смещения автомобиля на повороте, при движении.его.с.постоянной скоростью 38
2.3. Методика теоретического исследования бокового смещения автомобиля относительно заданной.траектории при его управляемом движении 46
Глава III. Экспериментальное исследование устойчивости управляемого движения автомобиля относительно заданной траектории 51
3.1. Метод записи действительной траектории движения автомобиля относительно заданной траектории 52
3.2. Выбор заданной траектории движения и испытательного участка 60
3.3. Конструктивное решение вопроса варьирования рабочего диапазона угла поворота рулевого колеса 65
3.4. Методика экспериментальных исследований и измерительная аппаратура 69
3.5. Анализ устойчивости управляемого движения автомобиля по опытным данным 80
Глава ІV. Результаты теоретических и экспериментальных исследований 91
4.1. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований 91
4.2. Технико-экономическая эффективность и реализация результатов работы 105
Выводы 108
Использованная литература 110
Приложения 119
- Анализ существующих методов записи.траектории движения автомобиля
- Математическое описание бокового смещения автомобиля на повороте, при движении.его.с.постоянной скоростью
- Конструктивное решение вопроса варьирования рабочего диапазона угла поворота рулевого колеса
- Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Продовольственная программа, принятая на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС /1/, в разделе "Транспортное обеспечение" предусматривает обеспечение в XI пятилетке создания мощностей по производству на Кутаисском автомобильном заводе 20 тыс. автопоездов сельскохозяйственного назначения, а также Ю тыс. автомобилей высокой проходимости на Уральском автозаводе. Эффективность работы серийных автомобилей на сельскохозяйственных работах низка из-за несоответствия конструкции условиям эксплуатации. В результате требуется создание специального подвижного состава, эксплуатационные качества которого обеспечивали бы эффективность выполнения необходимого технологического процесса. В комплексе эксплуатационных свойств, определяющих эффективность использования автомобиля, важное место занимает его устойчивость и управляемость, а система их оценки в настоящее время всё ещё имеет ряд недостатков. Поэтому исследования в данном направлении являются весьма актуальными.
Целью работы является разработка методики оценки устойчивости и управляемости автомобиля с позиций инженерной психологии и безопасности движения. Основное внимание уделяется параметрам устойчивости управляемого движения автомобиля относительно заданной траектории.
Объект исследования. В качестве объекта исследования были приняты большегрузные автомобили типа КрАЗ, КамАЗ и опытный образец полноприводного" автомобиля КАЗ-4540 сельскохозяйственного назначения.
Научная новизна.
I. Установлено влияние выходных характеристик рулевого управления на устойчивость управляемого движения автомобиля:
5 относительно заданной траектории в .различных эксплуатационных условиях его движения,
Исследованы дифференциальные уравнения движения автомобиля и на основе этого разработана методика и составлены алгоритмы для ЭВМ по расчёту его бокового смещения.
Предложена методика оптимизации показателей устойчивости управляемого движения автомобиля относительно заданной траектории и разработаны их регрессионные модели.
Разработан фотоэлектрический прибор (ФЭ-46-1) для регистрации действительной траектории движения автомобиля, позволяющий проводить дорожные испытания с большой эффективностью.
Практическая ценность. Подобранное по разработанной методике оптимальное соответствие между выходными характеристиками рулевого управления и функциональными возможностями человека, во многом повышает производительность автомобиля, снижает себестоимость перевозок, улучшает условия работы водителя и повышает безопасность движения.
Разработанная математическая модель определения бокового смещения автомобиля от заданной траектории позволяет установить влияние отдельных конструктивных параметров на устойчивость его управляемого движения в процессе проектирования.
Применение предложенного прибора ФЭ-46-1 обеспечивает снижение трудозатрат при натурных испытаниях автомобиля, обеспечивая достаточную для инженерных расчётов точность.
Реализация работы. Разработанные методические положения и рекомендации, а также результаты экспериментальных исследований, использованы на Кутаисском автомобильном заводе при доводке конструкции автомобиля КАЗ 4540 и в "ГрузгосоргдорБИй" при проектировании и строительстве дорог на территории Грузинской ССР.
Автор защищает: разработанную методику определения устойчивости управляемого движения по параметру отклонении автомобиля от заданной траектории, регистрируемой оригинальным фотооптическим прибором ФЭ-46-1.
Анализ существующих методов записи.траектории движения автомобиля
В работе /25/ была сформулирована идея метода и предложены характеристики, описывающие требования к водителю. При движении по траектории водитель управляет боковым смещением. В работе было показано, что при анализе необходимо также учитывать произведенные от сигнала рассогласования. Исследование влияния параметров автомобиля и водителя на положение границ устойчивости позволило получить оценку возможного диапазона изменения параметров водителя. На основании анализа результатов лабораторного эксперимента с 8 операторами было принято решение о достаточности использования предложенных частотных характеристик только фазовой частоты. Оценивая значение работы /2/ необходимо отметить, что в ней впервые были определены характеристики автомобиля, влияющие на сложность управления. В то же время нельзя не отметить,что в работе недостаточно освещена связь между полученными результатами и безопасностью движения, которой, с позиции сегодняшнего дня, придается особо важное значение.
В работе /37/,с помощью предложенного Б.И.Морозовым метода, была исследована устойчивость и управляемость автомобиля относительно заданной траектории. Автор, основываясь на теоретических исследованиях, дает освещение как "прямой системной задачи" (замена водителя автоматом с фиксированными параметрами), так и "обратной системной задачи" (с участием водителя). В заключение дается вывод, что для обеспечения информативности суждения об управляемости, включающей оценки как устойчивости, так и частотных свойств системы, должна рассматриваться только "обратная системная задача", т.е. исследования устойчивости относительно траектории изолированного автомобиля, а не системы "водитель-автомобиль", не могут дать результатов. Оценивая работу / 377 надо отметить, что основному исследованию предпосланы уточнения описаний движения автомобиля, которые потребуются в дальнейшей работе. Рассмотрим, например, вопрос о способе сведения к одноконтурной (т.е. имеющей одну выходную координату) системы управления "автомобиль-водитель". Выявлено, что выбор точки автомобиля, за боковым смещением которой от заданной траектории при системном исследовании управляемости надо следить, не может быть произвольным. В работе /37/ рекомендуется нормировать выбор этой точки по ошибке и принимать её расположение в центре масс автомобиля. Поскольку во время эксперимента удобнее следить за движением точки, находящейся в поле зрения водителя, а не центра масс автомобиля, этот выбор не оправдан. Кроме того размещение направляющей точки ближе к задней оси автомобиля равносильно кажущемуся понижению его чувствительности к управлению, что,на наш взгляд, значительно повлияет на результаты исследования.
Нельзя не отметить работы /II, 3d/, в которых используется плоская расчётная схема управления движения двухосного автомобиля. Автор определяет условие устойчивости с помощью условий Гурвица и рассматривает влияние разных параметров на устойчивость управляемого движения. В исследовании с помощью передаточной функции определяются характеристики автомобиля и водителя и устанавливается время запаздывания системы "водитель-автомобиль". Проверка полученных выражений проведена экспериментально на трех автомобилях типа "москвич", в заключение делается вывод, что устойчивость управляемого движения автомобиля относительно заданной траектории, в основном, зависит от времени реакции водителя и автомобиля. Чем больше это время, тем более вероятна неустойчивость движения.
Потеря устойчивости управления определялась так же в работах /6, 10/. За критерии оценки была принята максимальная скорость прохождения размеченного участка. М.А.Носенковым была предложена разметка при испытании - "переставка" (смена полосы) в виде синусоиды, ось которой наклонена на 4 по направлению движения автомобиля на прямой /4Q/.
В работах /41, 4/ потеря устойчивости траєкторного управления определялась по наезду на резиновые элементы, с помощью которых задавалась ширина входного и выходного коридоров. Анализируя эти работы /41, 42/ необходимо учесть следующие моменты: человек способен,за счёт мобилизации своих ресурсов, в сложной ситуации работать значительно лучше, чем в простой /43, 44/. Поэтому, если при испытаниях ситуация по сложности будет значительно отличаться от реальной, результаты испытаний трудно использовать для оценки безопасности автомобиля в эксплуатации.
В комплексе изучена теория управляемого движения автомобиля в работах /4, 45/, в которых рассмотрены все влияющие факторы на управляемость большегрузных автомобилей.
В работе Д/ рассмотрена динамика управляемого движения автомобиля и создана универсальная структурная схема математической модели управляемого движения большегрузного автомобиля, позволяющая изменять сложность модели в соответствии с конкретными задачами. Уравнения плоского движения системы "водитель-автомобиль" решаются в подвижной системе координат связанной с заданной траекторией и делается заключение о возможности использования этого принципа даже.при моделировании управляемого движения на маневре "вход в круг". Предложены принципиальные схемы управления движением в структуре блока управляющих сигналов в математической модели управляемого движения,Дано теоретическое решение определения отклонений автомобиля от заданной траектории с учётом времени опережения лИ проведен анализ характеристик управляемости при некоторых результатах оптимизации параметров.
Математическое описание бокового смещения автомобиля на повороте, при движении.его.с.постоянной скоростью
Автомобиль является управляемым объектом в системе "человек-машина". В соответствии с существующими представлениями ЪЪ7 у водителя возникают требования к автомобилю, полное удовлетворение которых, обеспечивает наиболее надежное функционирование системы "водитель-автомобиль" (наиболее высокую устойчивость управляемого движения автомобиля относительно заданной траектории). Свойства автомобиля, как управляемого объекта, являются показателем его соответствия психологическим и психофизиологическим требованиям водителя. Несмотря на большое количество раоот, посвященных исследованию характеристик автомобиля, как управляемого объекта, до настоящего времени не удалось разработать нормативных требований к этим характеристикам и доводочные работы по повышению устойчивости управляемого движения автомобиля по-прежнему ведутся на основании субъективных оценок испытателей.
Такое решение данного вопроса требует от каждого водителя высокого профессионального умения (до уровня испытателя). Однако из опыта эксплуатации известно, что такое условие не всегда выполняется что и вызывает в процессе эксплуатации ухудшение безопасности движения.
Поэтому для повышения эффективности автотранспортного процесса целесообразно улучшение эксплуатационных свойств системы автомобиль-дорога с позиции их наибольшего приспособления к психико-физиологическим особенностям человека /2Х/.
Известно, что в системе "водитель-автомобиль" деятельность водителя, как оператора, опирается на определенную информационную основу /56/, называемую информационной моделью движения автомобиля /577. Дяя оператора информационная модель является не только источником информации о состоянии управляемого объекта: из её характеристик образуется некоторое "оперативное поле", на базе которого возникают и функционируют основные психические процессы, из которых складывается управляющая деятельность оператора /56/. Поэтому, для выявления этой характеристики необходимо проведение психологического анализа деятельности водителя в системе "водитель-автомобиль". А после определения регулируемого параметра, по которому водитель регулирует в системе управления, необходимо также, с позиций безопасности движения, установление его величины.
До настоящего времени существует разрыв между подходом к описанию психологических характеристик человека и к функционированию машины, обусловленный спецификой методов исследования в психологии и технике.
Смысл и существо процесса проектирования заключается в ряде последовательных приближений, содержащих непрерывную проверку соответствия результатов разработки поставленным требованиям. Процесс проектирования в этом смысле представляет собой структуру с обратной связью /58/.
Создание системы "водитель-автомобиль" требует единого подхода к этой системе как к единому целому и единого языка для её описания. Одной из основных причин того, что до сих пор расчёту и проектированию подлежит только одна подсистема - объект управления, является недостаточное обоснование принципов моделирования деятельности человека - оператора.
Признание человека субъектом труда требует изменения принципов проектирования. Не человек накладывает ограничения на функционирование системы, а степень соответствия выходных характеристик объекта управления возможностям и требованиям человека определяет эффективность и надёжность выполнения оператором поставленных перед СЩ задач. Таким образом, основной задачей инженерно-психологического проектирования является оптимизация связей между человеческим и машинным компонентами, т.е. окончательное определение на этапе заводских испытаний режимов работы операторов, внесение частных коррекций, связанных с осуществлением полной комплектации объекта, и определение требований по ряду общих коррекций, обусловленных выявленными при испытаниях недостатками /58/.
Для выявления связей между характеристиками автомобиля, параметрами движения и функциональными возможностями человека необходимо определить какую информацию получает и анализирует водитель и с какими резервами он работает в конкретном режиме. С этой целью уточняется какой закон и принцип управления реализуется в СВА, к какому типу системы, с позиции теории автоматического управления, можно отнести СВА и, следовательно, какую информацию анализирует водитель в процессе управления автомобилем.
Для одиночного автомобиля план дороги определяет заданную траекторию по которой должен водитель провести автомобиль. Ширина проезжей части, с одной стороны, и зазоры между автомобилем и встречным транспортом с другой, определяют требования к устойчивости управляемого движения автомобиля относительно заданной траектории.
Конструктивное решение вопроса варьирования рабочего диапазона угла поворота рулевого колеса
Статистические данные, полученные в СССР и за рубежом показали, что кривые в плане являются местом сосредоточения дорожных происшествий, количество которых резко возрастает на кривых малых радиусов /68/f Известно, что горные автомобильные дороги характеризуются извилистостью трассы, частыми и крутыми поворотами, а вопрос безопасности движения автомобиля по этим дорогам представляет основную задачу.
Решить этот вопрос можно лишь комплексным путем, учитывая все основные влияющие факторы. Известно, что при движении автомобиля по какому-либо намеченному курсу под воздействием внешних возмущающих сил и корректирующего движения водителя создается динамический коридор движения, ширина которого определяет основную безопасную ширину проезжей части (или полосу движения).
Величина динамического коридора движения системы водитель-автомобиль связана с устойчивостью управляемого движения автомобиля относительно заданной траектории, так как максимальное рассогласование между, действительными и заданными траекториями определяет ширину динамического коридора.
Действительная траектория автомобиля на повороте определяется двумя факторами: формой дороги и действиями водителя. Отклоне-нения автомобиля от заданной траектории носят случайный характер, поэтому действительная траектория автомобиля есть случайная функция. Задаваясь траекторией мы абстрагируемся от свобода действий водителя и под заданной траекторией подразумеваем программу движения автомобиля в соответствии с теорией управляемого тела /26/.
При исследовании устойчивости упрпвляемого движения автомобиля относительно заданной траектории можно изучить движение автомобиля в плоскости дороги /20/. В общем случае движения автомобиля (рис.2,6) на дороге задается коридор, внутри которого должен находиться автомобиль, или задается непосредственно траектория движения какой-либо точки автомобиля или проекции этой точки на горизонтальную плоскость.
Как показано на рис.2.6 в качестве вышеуказанной точки принимается проекция центра масс автомобиля на горизонтальную плоскость. Этот выбор, на наш взгляд, оправдан хотя бы потому, что уравнения динамики логичнее всего записывать именно для центра масс автомобиля.
Уравнение линейного отклонения точки Ц автомобиля получим в соответствии с расчётной схемой автомобиля, изображенной на рис.2.6, где ЦХа - подвижная система координат, неизменно связанная с автомобилем; ОХ У - подвижная система координат, связанная со средней линией коридора (ось О 3 является нормалью к средней линии коридора в точке О и проходит через центр тяжести автомобиля Ц , а ось О X направлена по касательной к средней линии в сторону движения автомобиля); ОлИ- неподвижная система координат, неизменно связанная с дорогой;лу- линейное отклонение центра тяжести от средней линии коридора; ф0 угол наклона касательной к средней линии коридора; (I) - курсовой угол автомобиля; Д(Ь- угловое отклонение продольной оси автомобиля от касательной к средней линии коридора; \/ц - скорость центра тяжести автомобиля; Цй - проекция \/ч на ось Ц Уа ; 14 - проекция Vu, на ось ЦХа; У и Уд - углы наклона набегающих волокон средней линии шин передних и задних колес; В- угол поворота-управляемых колес; О и 0 - боковые реакции на передней и задней осях.
Кроме того, введем следующие обозначения: с - угол поворота рулевого колеса; Ц . .- передаточное число рулевого управления; /\- масса автомобиля; 3 - момент инерции автомобиля относительно вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести; К и К$2 -коэффициенты сопротивления уводу шин передней и задней осей; К0 - кривизна средней линии коридора в точке 0 .
Рассмотрим движение автомобиля с постоянной скоростью Уь cohsit4To соответствует применяемым сегодня методам испытания управляемости и устойчивости автомобиля /4, 6, 20, 39 и др./.
Известно, что при криволинейном управляемом движении автомобиля его положение может задаваться как в системе координат, связанной с землей, так и в системе координат, связанной с заданной траекторией, которой может быть, например, средняя линия коридора /4, 2Q/. В первом случае средняя линия коридора уо , от которой отсчитывается отклонение автомобиля д у, задается в декартовой системе координат как функция X. Этот способ удобен лишь тогда, когда угол ф0 между касательной и средней линиями коридора и осью незначителен. Тогда, при движении автомобиля с постоянной скоростью его продольная координата Х Va t а отклонения от заданной траектории
Когда угол ф0 не является малым соотношение 2.8 уже не выполняется и должно быть заменено более сложным нелинейным. Для избежания этого можно определять положение автомобиля относительно заданной траектории координатой лу(рис.2.6К. которая при управляемом движении мала.
Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований
Изучение устойчивости управляемого движения автомобиля относительно заданной траектории, путем анализа влияния на управляемость передаточного числа рулевого управления, радиуса поворота и скорости движения автомобиля.
Из теории устойчивости управляемого движения видно, что выбор направляющей точки автомобиля, движение которого подлежит регистрации при экспериментальном исследовании относительно заданной траектории, связан с рядом тонкостей. Так как выбор этой точки на различных расстояниях от середины задней оси автомобиля равносилен переходу к анализу другой действительной траектории, то это приводит к кажущемуся изменению оценок управляемости автомобиля /37/. Поэтому, выбор направляющей точки основывается на непосредственно поставленной задаче.
Исходя из этого и учитывая, что мы изучаем устойчивость управляемого движения по требованиям его безопасности, целесообразно в качестве направляющей точки принять максимально отклоняющуюся точку автомобиля для случая когда движение его происходит по заданной траектории. Максимально отклоняющаяся точка, когда объект исследования управляется передними колесами (передние управляемые колеса), находится в передней части автомобиля /72, 73, 17, 37, 747» Этот факт подтверждается также уравнением (2.23) (см. 2,2). Выбор направляющей точки автомобиля в передней части автомобиля удобен также при экспериментальных исследованиях.
Для записи действительной траектории различных точек автомобиля применяются разные методы. Однако применение существующих методов ограничено радом значительных недостатков (см. 1.2).
Для регистрации действительной траектории движения автомобиля относительно заданной на кафедре "Автомобили" ГПИ им.В.И. Ленина разработан фотоэлектрический прибор ФЭ-46-1, который позволяет проводить как полигонные, так и дорожные испытания автомобилей с большой эффективностью.
На дорогу наносится контрастная линия, которая представляет программу движения для водителя (в реальных условиях движения автомобиля в качестве этой линии применяются: осевая линия, линии разделяющие полосы движения или боковая линия). При движении по заданной траектории, когда в системе водитель-автомобиль-дорога используется одноконтурная схема управления, положение автомобиля можно характеризовать поперечным смещением направляющей точки Д , определяющей рассогласование между действительной и заданной траекторией (см. 2.1). Лучшая информативность о. положении автомобиля при помощи его бокового смещения, по сравнению с углом поворота автомобиля дф (см.рис.2.6) подтверждена в работах /20, 25, 37, 8/.
Непрерывное наблюдение за этой величиной обеспечивается бесконтактным фотооптическим датчиком, разработанным в институте механики машин АН ГССР /49, 5Q/. Фотооптический датчик схематически изображен на рис.3.I. На трех гранях шестигранника I установлены три сферических зеркала 2, а на противоположных гранях имеются диафрагмирующие отверстия 3. Кривизна сферического зеркала 2 подобрана таким образом, чтобы ось вращения 0-0 шестигранника I проходила в фокальной плоскости зеркал, где и устанавливается сигнальный фоточувствительный элемент ч . В основании шестигранника имеются узкие щели 5, которые служат для формирования маркерного импульса в момент прохождения щели между маркерным фоточувствительным элементом 6 и лампочкой подсвечивания 7. Шестигранник приводится во вращение электродвигателем 9 через зубчатую передачу 8 и закрывается кожухом, в котором имеется окно, ограничивающее поле обзора в плоскости вращения. При движении автомобиля I вдоль контрастной линии (см.рис. 3.2) фотооптический датчик 3 вырабатывает последовательность маркерных и сигнальных импульсов, фазовый сдвиг между которыми строго соответствует отклонению автомобиля 3 от заданной траектории 2. Выход фотооптического датчика через формирователи 2 и 3 (см. рис.3.3) подключен к преобразователю фазового сдвига в длительность (тригер) 4, который совместно с генератором импульсов заполнителя 5, через схему совпадения 6, соединен со счётчиком импульсов 7, с которым через усилитель 8 связан цифроаналоговый преобразователь 9 соединенный с регистрирующим прибором 10. На рис.3.4 и 3.5 приведена принципиальная схема и фото измерительная часть прибора. Сигнальные импульсы е фотооптического датчика поступают на вход формирователя, состоящего из двух каскадов усилителя с автоматической установкой уровня ограничения и эмитерного повторителя ( йл ; Vt ; Vs ; V й ; V ), где происходит усиление и ограничение сигнального импульса, формирования фронтов и вершин, с целью надежного срабатывания цифровых микросхем измерителя.
