Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ систем активной безопасности мобильных машин 10
1.1. Антиблокировочные системы (АБС) 10
1.2. Противобуксовочные системы (ПБС) .21
1.3. Системы динамической стабилизации (СДС) . 22
1.4. Повышение устойчивости трициклов применением конструкций с изменяемой геометрией 23
Выводы по главе 1 .27
2. Подсистема активной безопасности, управляющая наклоном остова трицикла в повороте 28
2.1. Условия эксплуатации трицикла с наклоняющимся остовом 28
2.2. Трицикл с изменяемой геометрией конструкции – основа создания специальной системы активной безопасности 29
2.3. Требования к системе активной безопасности трицикла с наклоняющимся остовом 36
2.4. Принципы работы системы активной безопасности, управляющей наклоном остова трицикла в повороте 37
Выводы по главе 2 42
3. Теоретические исследования устойчивости трициклов при движении в повороте .43
3.1. Устойчивость трициклов при движении в повороте с учетом бокового увода 43
3.2. Устойчивость трициклов при движении в повороте на вираже.. 59
3.3. Устойчивость трициклов при движении в повороте с учетом
крена остова и боковой податливости шин .65
3.4. Устойчивость трициклов при входе в поворот .71
Выводы по главе 3
4. Экспериментальные исследования устойчивости трициклов при движении в повороте 87
4.1. Натурные испытания устойчивости трицикла с наклоняющимся остовом при движении в повороте .87
4.2. Моделирование движения трицикла с наклоняющимся остовом в повороте 94
4.3. Моделирование движения трицикла с наклоняющимся остовом при входе в поворот 111
Выводы по главе 4 119
Заключение 121
Список литературы
- Системы динамической стабилизации (СДС) .
- Трицикл с изменяемой геометрией конструкции – основа создания специальной системы активной безопасности
- Устойчивость трициклов при движении в повороте на вираже..
- Моделирование движения трицикла с наклоняющимся остовом в повороте
Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшим требованием к любой мобильной машине является обеспечение безопасности движения. С каждым годом это требование становится все более актуальным, так как увеличивается количество транспортных средств и повышаются скорости их движения.
Трициклы по сравнению с автомобилями имеют меньшую устойчивость, к тому же у них, как правило, нет полноценной кабины – основного элемента пассивной безопасности. Поэтому водитель трицикла является одним из самых незащищенных и уязвимых участников дорожного движения.
В связи с этим особую актуальность имеют работы, направленные на повышение безопасности движения трициклов.
Степень разработанности темы исследования. Эффективным способом повышения устойчивости трицикла при криволинейном движении является наклон его остова в сторону поворота. На рис. 1 представлен объект исследования – экспериментальный трицикл с наклоняющимся остовом, изготовленный в Горском ГАУ.
Рис. 1. Объект исследования – трицикл с наклоняющимся остовом
Остов – секция несущей системы трицикла вместе с передним управляемым колесом, включающая в том числе грузовую платформу, с шарниром, до-
пускающим относительный поворот секций в поперечной вертикальной плоскости.
Однако наклонять остов трицикла надо своевременно, а угол наклона должен соответствовать условиям движения. Осуществлять это должна специальная система, включающая в себя механизм наклона остова трицикла, комплекс датчиков и управляющий вычислительный блок. Законы управления наклоном остова должны базироваться на результатах теоретических исследований, математическом моделировании рабочих процессов трицикла с наклоняющимся остовом.
Поэтому разработка специальной подсистемы активной безопасности, управляющей наклоном остова трицикла, является важной научной задачей, решение которой позволит значительно повысить безопасность движения трехколесных транспортных средств.
Цель работы. Повышение безопасности движения применением специальной подсистемы активной безопасности, управляющей наклоном остова трицикла при движении в повороте.
Задачи исследования. Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:
провести анализ существующих систем активной безопасности (САБ) колесных машин, в частности, трициклов; обосновать требования к системе, управляющей наклоном остова трицикла в повороте и принципы ее работы;
разработать алгоритм работы автоматической системы, управляющей наклоном трицикла при движении в повороте;
провести теоретические исследования устойчивости трициклов при движении в повороте;
разработать математическую модель движения трицикла в повороте с наклоняющимся остовом;
провести натурные испытания трицикла с наклоняющимся остовом при движении в повороте;
провести имитационное моделирование трицикла с наклоняющимся остовом для случаев равномерного движения по окружности и при входе в поворот;
- сравнить результаты расчетов и экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы.
Наиболее значимые результаты диссертационной работы, обладающие научной новизной:
разработан закон управления углом наклона остова трицикла в функции скорости движения и кривизны поворота, отличающийся тем, что нормальные реакции под колесами задней оси трицикла остаются равными и обеспечивают наибольший запас устойчивости по опрокидыванию;
обоснован критерий выбора расчетной схемы для движения трицикла в повороте в зависимости от соотношения плеч опрокидывающего и стабилизирующего моментов;
разработана математическая модель криволинейного движения трицикла с наклоняющимся остовом;
разработаны принципы и алгоритм работы автоматической системы, управляющей наклоном остова трицикла при движении в повороте.
Объект исследования. В качестве объекта исследования использовался разработанный и изготовленный в Горском ГАУ экспериментальный образец трицикла с наклоняющимся остовом.
Теоретическая значимость работы. Разработанная методика повышает точность определения критических скоростей трицикла по опрокидыванию при движении по криволинейной траектории, в частности, при входе в поворот, и вносит вклад в развитие теории движения трехколесных транспортных средств.
Практическая значимость работы. Результаты выполненных исследований позволят избежать погрешности при определении критических параметров трицикла при входе в поворот, а также выбирать оптимальную расчетную схему в зависимости от устойчивости транспортного средства. На основе этих результатов создана имитационная модель движения трицикла с наклоняющимся остовом, которая позволит исследовать его устойчивость в различных условиях на стадии проектирования. Проведенные исследования являются также базой для создания специальной системы активной безопасности для трицикла с наклоняющимся остовом, которая позволит значительно повысить безопасность его движения.
Методология и методы исследований. В процессе выполнения работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Применены математические модели исследуемых объектов, методы аналитической механики, а также численные методы моделирования движения трицикла.
Положения, выносимые на защиту:
закон управления углом наклона остова трицикла в функции скорости движения и кривизны поворота;
критерий выбора расчетной схемы для движения трицикла по криволинейной траектории в зависимости от соотношения плеч опрокидывающего и стабилизирующего моментов;
математическая модель криволинейного движения трицикла с наклоняющимся остовом;
принципы и алгоритм работы автоматической системы, управляющей наклоном остова трицикла при движении в повороте;
результаты натурных испытаний и имитационного моделирования движения трицикла с наклоняющимся остовом.
Реализация работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс Горского ГАУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также в производство НИИ «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана и НПО «Наука» (г. Владикавказ).
Достоверность результатов работы подтверждается хорошим согласованием данных расчета, моделирования и эксперимента, полученных с исполь-
зованием современного измерительного оборудования; использованием общепринятых методик и рекомендаций по обработке и оптимизации данных.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на:
научно-практических конференциях ФГБОУ ВО «Горский государственный аграрный университет», 2008-2014 гг., г. Владикавказ;
научных конференциях молодых ученых ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет», 2010-2013 гг., г. Владикавказ;
VI Международной научно-практической конференции молодых исследователей «Наука и молодежь: новые идеи и решения», 20 апреля 2012 г., г. Волгоград;
научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем» 16-18 июня 2013 г., г. Владикавказ;
XIII всероссийской выставке-конкурсе Научно-технического Творчества Молодежи (НТТМ), 25-28 июня 2013 г., г. Москва;
Международной научно-практической конференции «Научное обеспечение устойчивого развития агропромышленного комплекса горных и предгорных территорий», посвященной 95-летию Горского государственного аграрного университета, 26-27 ноября 2013 г., г. Владикавказ;
научно-техническом семинаре «Подвижность наземных транспортно-технологических машин», 6 декабря 2013 г., г. Нижний Новгород.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ, из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, - 6, а также 1 патент.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих результатов и выводов, списка литературы. Работа изложена на 135 листах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 3 таблицы. Библиография содержит 89 наименований.
Системы динамической стабилизации (СДС) .
Исследования статистики ДТП, выполненные страховой компанией Allianz в 2005 г., показали, что система ABS способна предотвратить или, по крайней мере, значительно смягчить последствия около 10% серьезных аварий мотоциклов. Эти данные подтверждают результаты предварительного исследования, проведенного несколько лет назад Институтом безопасности транспортных средств (г. Мюнхен). Согласно его результатам, неправильное торможение является самой распространенной причиной падения водителей мотоциклов при аварии и применение ABS позволило бы избежать 93% падений. Спустя двенадцать лет после мировой премьеры своей первой антиблокировочной системы и через семь лет после выхода на рынок усовершенствованной АБС второго поколения подразделение "Мотоциклы BMW" представило интегральную АБС (рисунок 1.5) [25].
АБС с усилителем тормозов, интегральной тормозной системой и адаптивным распределением тормозных усилий устанавливает новые стандарты в технологии тормозов и, соответственно, в области активной безопасности мотоциклов. Интегральная АБС фирмы BMW использует технический потенциал новой усовершенствованной АБС третьего поколения, снабженной дополнительными функциями. Например, тормозная система оснащается новым электрогидравлическим усилителем тормозов, адаптивной, то есть самообучающейся электронной системой распределения тормозных усилий, а также интегральной схемой, при которой рычаг ручного или педаль ножного тормоза вызывают одновременное срабатывание тормозов на переднем и заднем колесах. Вся управляющая электроника и электрогидравлические компоненты расположены в компактном корпусе, так называемом модуляторе давления [25].
Интегральная тормозная система – это также дебют тормоза EVO (эволюция), который обеспечивает увеличение тормозного усилия на переднем колесе на 20%. Интегральная тормозная система легче, при экстренных торможениях она позволяет сократить тормозной путь и предотвращает падение из-за заблокиро-вавшихся колес. В особенности на дорогах с резко меняющимися свойствами полотна, которое может быть то сухим, то мокрым, интегральная АБС реагирует быстрее и надежнее любого водителя. В нормальных условиях движения система обеспечивает значительно меньшие усилия на рычаге и педали тормоза, что делает процесс торможения более удобным и комфортабельным. Уже при включении зажигания производится самодиагностика системы. Во время поездки интегральная АБС также постоянно следит за своим состоянием и в случае возникновения неисправностей немедленно сигнализирует об этом с помощью контрольных лампочек на приборном щитке. В случае отказа АБС мотоцикл сохраняет способность к торможению. Правда, водителю придется прилагать для торможения большие усилия, но все равно эффективность торможения значительно превосходит установленные нормы. Новая интегральная АБС серийно устанавливается на мотоциклы: K 1200 LT, K 1200 RS, R 1150 RT, а в качестве дополнительного оборудования она предлагается для R 1100 S и R 1150 RS [25].
Как видно из выше изложенного, в течение многих десятилетий автомобилестроительные фирмы мира занимаются системами активной безопасности автомобиля, принципиальные основы функционирования которых не претерпели существенных изменений. Развитие идет лишь по пути совершенствования алго 19 ритмов, надежности измерения и обработки сигналов первичной информации, т.е. кинематических параметров мобильных машин и их колес (скорости и ускорения машин, частоты, скорости и ускорения вращательного и поступательного движения колес) [40].
Как отмечается в [1], сложные физические процессы в системе «автомобиль-дорога» при торможении обусловили разнообразие подходов в определении необходимых и достаточных параметров контроля и критериев оценки качества АБС.
Из известных принципов АБС - регулирования можно выделить базовые [1]: - индивидуальное регулирование, когда изменение тормозного момента колеса производится по индивидуальному закону; - косвенное регулирование, когда используется информация для управления тормозным моментом от другого колеса; - регулирование по высокому порогу, которое основано на управлении тормозными моментами колес по алгоритму максимальной реализации сцепления колеса, находящегося в наилучших условиях по сцеплению; - регулирование по низкому порогу, которое основано на управлении тормозными моментами колес по алгоритму максимальной реализации сцепления колеса, находящегося в наихудших условиях по сцеплению.
Использование индивидуального регулирования позволяет достичь высокой эффективности торможения по однородной поверхности дороги и равномерной загрузкой. В условиях разных характеристик сцепления по бортам автомобиля (микст), при маневрировании и др., торможение по этому принципу не обеспечивает требуемой управляемости и устойчивости [1; 25; 26].
Второй принцип регулирования целесообразно применять только для близко расположенных колес (например, в тележке многоосного автомобиля).
Высокопороговое регулирование обеспечивает высокую тормозную эффективность, но наиболее плохую управляемость и устойчивость. Низкопороговое регулирование имеет явные преимущества в части обеспечения устойчивости и управляемости, но существенно проигрывает по эффективности торможения [1]. На практике используются модификации указанных методов. По параметрам регулирования различают АБС-регулирования [1; 25]: - по значению коэффициента скольжения колеса, соответствующего максимуму сцепления колеса (s-регулирование); - по максимальному значению коэффициента взаимодействия (-регулирование); - по значению и знаку параметра d/ds, характеризующего степень приближения к максимуму сцепления (градиентное регулирование). При использовании s-регулирования, как правило, используются следующие основные алгоритмы и их комбинации: 1) использование режима равенства углового замедления колеса и линейного замедления автомобиля [2; 87]; 2) определения коэффициента скольжения колеса и его дальнейшее поддержание в заданных пределах [4; 110]; 3) использование порогового замедления тормозящего колеса [40]. Большинство недостатков s-регулирования обусловлено тем, что ни про скальзывание, ни замедление колеса не несут достаточной информации для опре деления оптимального управления тормозными усилиями. Более предпочтитель ным представляется использование параметров регулирования, дающих непо средственную информацию о значении продольного сцепления [1; 24]. При этом оценку значения продольного сцепления ведут по значению тормозного момента (силы) измеряемой косвенно, либо непосредственно.
Трицикл с изменяемой геометрией конструкции – основа создания специальной системы активной безопасности
Вместе с тем необходимо учитывать, что ось наклона остова трицикла расположена, как правило, на некотором расстоянии от опорной поверхности. Поэтому при наклоне остова трицикла в сторону поворота центр пятна контакта его переднего колеса с опорной поверхностью переместится в противоположную сторону (точка О1 на рисунке 2.9,а). Вследствие этого линия действия равнодействующей R не будет лежать в плоскости симметрии наклоняющейся части трицикла
В таком положении водитель будет испытывать неприятные ощущения, что в некоторых случаях может привести к нежелательным последствиям.
Чтобы наглядно пояснить это, разложим равнодействующую R на две составляющие (рисунок 2.9,б). Одна из них (R-cosy) лежит в плоскости симметрии наклоняющейся части трицикла, а другая (Rsiny) - перпендикулярна ей. Здесь у -угол между равнодействующей R и плоскостью симметрии наклоняющейся части трицикла.
Составляющую R-cosy водитель воспринимает как силу тяжести, которая действует на него при вертикальном положении и прямолинейном движении. Составляющую Rsiny водитель воспринимает как боковую силу, которая стремится сбросить его с трицикла. Учитывая, что он чувствует это, уже будучи наклоненным к дороге, можно предположить, что ощущения не из приятных.
В такой ситуации неопытный водитель может запаниковать и попытаться «исправить» положение резкими рывками рулем и корпусом, увеличивая тем самым вероятность аварии. Более того, на высоких скоростях и при сильном наклоне остова трицикла составляющая Rsiny может действительно привести к падению водителя с трицикла.
Поэтому считаем, что для повышения устойчивости трицикла в повороте наклонять его надо таким образом, чтобы равнодействующая R лежала в плоскости симметрии наклоняющейся части трицикла (рисунок 2.10). Это наиболее комфортный вариант для водителя при движении в повороте.
По конструктивным соображениям этот вариант также является более предпочтительным, так как при таких же условиях наклонять остов надо на меньший угол.
Еще одно преимущество такого выбора - более простой способ вычисления требуемого угла наклона остова трицикла. Для схемы на рисунке 2.10 можно запишем уравнение моментов относительно центра пятна контакта переднего колеса трицикла (рисунок 2). При этом будем считать, что эта точка находится на продольной оси трицикла, то есть ее смещение при наклоне остова незначительно. Тогда
Схема для определения угла наклона остова трицикла где – требуемый угол наклона остова трицикла; ay – боковое ускорение (может измеряться акселерометром). Таким образом, для определения значения угла, на который необходимо наклонять кузов трицикла в повороте, достаточно знать только боковое ускорение ay. Вычисление такого угла для схемы на рисунке 2.9,а гораздо сложнее, так как требует учета параметров трицикла и кинематики механизма его наклона.
Что касается определения силы Fy, то самый простой, но при этом самый неудачный и опасный способ – с помощью датчика ускорения. Как было показано в предыдущих пунктах настоящей главы, система, наклоняющая остов трицикла в повороте, должна иметь очень высокое быстродействие. Чтобы компенсировать время срабатывания механизма наклона, ей надо действовать на опережение. То есть значение силы Fy должно вычисляться заранее, по косвенным параметрам (угол и интенсивность поворота руля, скорость трицикла и т.д.). Непосредственное определение силы Fy с помощью датчика также можно использовать, но только в качестве вспомогательного параметра, для контроля правильности вычисленных значений.
Аналитические зависимости для определения центробежной силы инерции и некоторых других параметров устойчивости трициклов подробно рассмотрены в третьей главе.
Следует заметить, что в процессе движения практически невозможно заранее определить, когда и в какую сторону повернет трицикл (кроме случая применения полной автоматизации). Даже если система управления наклоном отслеживает все основные параметры трицикла, а также сканирует окружающую обстановку, все равно решение о моменте и интенсивности поворота руля принимает водитель.
Вычисление центробежных сил инерции по параметрам процесса движения трицикла дает некоторый выигрыш во времени для механизма наклона. Однако в некоторых случаях (высокие скорости движения, резкие повороты) этого может оказаться недостаточно. Поэтому желательно использовать еще какие-нибудь факторы, условия, параметры, чтобы повысить опережающий эффект системы наклона остова трицикла.
В качестве такого условия, на наш взгляд, можно использовать следующий фактор. Управляя двухколесным мотоциклом, для повышения устойчивости и компенсации центробежных сил инерции, мотоциклист наклоняет свое транспортное средство в сторону поворота. Осуществляет он это за счет наклона корпуса, перемещая центр масс своего тела в ту или другую сторону. Как правило, движение корпусом мотоциклист начинает перед тем, как повернуть руль. Можно предположить, что и управляя трициклом, водитель также будет наклонять корпус в сторону поворота. Если система наклона остова трицикла будет реагировать на это рефлекторное движение водителя, то сможет включать механизм наклона раньше, чем он повернет руль.
Реализовать это можно с помощью двух датчиков нагрузки, установленных под сиденьем водителя симметрично, справа и слева. При переносе центра масс тела водителя в какую-либо сторону нагрузка на соответствующий датчик увеличится. Реагируя на его сигнал, система начнет наклонять остов трицикла в ту же сторону. Тем самым система будет более чутко отзываться на движения водителя, что значительно повысит ее быстродействие.
Чтобы избежать нежелательного наклона остова трицикла при случайных движениях водителя, можно ограничить значение угла наклона для случая, когда кроме датчика под сиденьем, никакие другие упреждающие сигналы в систему не поступают.
Устойчивость трициклов при движении в повороте на вираже..
Трициклы с двумя передними управляемыми колесами, отличаются большей устойчивостью по сравнению с трициклами классической компоновки. Поэтому они могут двигаться с большими скоростями, в том числе в поворотах.
Рассмотрим силы, действующие на трицикл такой конструкции (рисунок 3.4[76]). Основные геометрические параметры на схеме обозначим аналогично рисунку 3.2.
Схема поворота трицикла с двумя передними управляемыми колесами В таком случае формула для критической скорости по началу заноса три-цикла будет такой же, как и в предыдущем случае - (3.18).
В отличие от схемы классической компоновки, ось опрокидывания у рассматриваемой конструкции проходит через центры переднего наружного и заднего колес. Поэтому плечо стабилизирующего момента будет 6 sin а.
Составляющая центробежной силы инерции трицикла, перпендикулярная к оси опрокидывания:
Рассмотрим трицикл с одиночным задним управляемым колесом, схема которого изображена на рисунке 3.5. Согласно [76] критическая скорость трицикла указанной схемы по заносу примет вид: Vз = j(?ygR(acosQ + b)/L , (3.32) а критическая скорость, после достижения, которой начинается опрокидывание трицикла с задним управляемым колесом
Как было показано выше, трициклы по сравнению с четырехколесными машинами имеют меньшую устойчивость против опрокидывания. Одним из решений этой проблемы являются трициклы, имеющие возможность наклонять свой остов, подобно двухколесным мотоциклам, в сторону поворота.
Несмотря на разнообразие конструктивных схем трициклов, можно заметить, что при создании наклоняющейся конструкции за основу берут трицикл классической компоновки (впереди одно управляемое колесо, сзади – два ведущих). И тому есть свои причины.
Во-первых, это самый распространенный вид трициклов. При этом следует учитывать не только производственные мощности для выпуска новых машин, но и возможность модернизации огромной армии существующих. Во-вторых, устойчивость трицикла с одним передним колесом ниже, чем у трициклов с двумя передними колесами. Поэтому эффект от подобной модернизации будет выше.
В-третьих, наклоняющийся вариант на основе трицикла классической компоновки будет конструктивно проще, и, соответственно, дешевле, чем на основе других конструктивных схем.
Кроме того, большинство трициклов классической компоновки являются грузовыми, что объективно приводит к еще более высокому расположению их центра масс. Как следствие, устойчивость против опрокидывания становится еще ниже.
Поэтому считаем жизненно необходимым переход к трициклам, имеющим возможность наклонять остов в сторону поворота. Причем наиболее эффективным и целесообразным, на наш взгляд, является создание такой техники на базе трициклов классической компоновки.
В связи с этим, в данной работе рассматривается только один вид трициклов с наклоняющимся остовом, у которого задний мост всегда остается параллельным дороге, а вся остальная часть, вместе с мотоциклистом и передним управляемым колесом, наклоняется в сторону поворота. Для краткости в дальнейшем будем называть такую конструкцию «трицикл с наклоняющимся остовом».
Рассмотрим движение трицикла с наклоняющимся остовом в повороте. В случае бокового увода центр поворота переместится из точки О в точку О , поэтому расстояние R от него до продольной оси трицикла будет равно (рисунок 3.6, а [60; 70])
Схема поворота трицикла с передним управляемым колесом и наклоняющимся остовом Тогда центробежная сила инерции, действующая на трицикл с наклоняющимся в сторону поворота остовом, выразится как F = mV2(R-d)/R2cosy, (3.37) где угол определяется по выражению tgy = (b-Rtgd2)/(R-d) или tgy = (Rtgd2-b)/(R-d). (3.38) Поперечная и продольная составляющие центробежной силы инерции определятся как Fy = Fcosy = mV2(R -d)/R2; (3.39) Fx=Fsmy = mV2(R-d)tgy/R2=Fytgy. (3.40) Условие устойчивости трицикла против заноса запишется в виде Fy (YlcosQ + Y2) = qy(ZlcosQ + Z2), (3.41) где: Y\, Y2, Z\, Z2 - боковые и нормальные реакции дороги на переднее и задние колеса трицикла; у - коэффициент поперечного сцепления шин с опорной поверхностью. Подставив в выражение (3.41) значения нормальных реакций и поперечной составляющей силы инерции (3.39), найдем критическую скорость, после превышения которой начнется занос трицикла в повороте
В повороте возможно опрокидывание трицикла относительно оси, проходящей через центры пятен контакта переднего и заднего наружного колес. Плечо п приложения силы тяжести G относительно оси опрокидывания будет изменяться с изменением величины наклона остова трицикла в сторону поворота, и, следовательно, самой оси опрокидывания (рисунок 3.7 [76]).
Минимальное плечо приложения силы тяжести G относительно оси опрокидывания п=а sin а получим в случае, когда остов не наклонен в сторону центра поворота. В случае наклона остова в сторону поворота (рисунок 3.7, б) центр пятна контакта переднего колеса переместится из точки 1 в точку 1 на величину гх sin , где - угол наклона остова; г\ - радиус качения переднего колеса. В то же время центр масс С переместится относительно продольной оси трицикла в сторону поворота на величину d.
Наклон остова к центру поворота оправдан только в случае, когда центр масс расположен выше оси наклона остова, т.е. при h h0 (рисунок 3.7, а), где h и h0 - высоты расположения центра масс и оси наклона остова. Только в этом случае при наклоне остова на угол v центр тяжести остова трицикла переместится в сторону центра поворота на расстояние d = (h-ho)sinv, (3.43) что будет содействовать большей устойчивости трицикла против опрокидывания (рисунок 3.7, а, б). Конструктивно очевидно, что ось наклона остова должна пересекать точки 1 и 2 трицикла, находящиеся на осях вращения колес. Высоту h0 расположения оси наклона остова (рисунок 3.7, а) можем опреде лить из соотношения
Моделирование движения трицикла с наклоняющимся остовом в повороте
Для исследования движения трицикла при входе в поворот необходимо смоделировать работу системы, управляющей наклоном его остова. Основные принципы её работы были сформулированы во второй главе. В частности, формула (2.4) для определения необходимого угла наклона остова трицикла, которую в уточнённом виде можно записать: где аК - требуемый угол наклона остова трицикла; Fy - поперечная составляющая центробежной силы инерции, действующей на трицикл при движении в повороте; G - сила тяжести трицикла. В пункте 3.4 получено выражение (3.96) для нахождения составляющей центробежной силы инерции, действующей на трицикл при входе в поворот, которая перпендикулярна оси его опрокидывания: ZF = cos(a-riv(tg(e-S1) + tgS2) + b(e-S1)-S2]. уо Lcosy L v v v 7 J В данном случае для системы, управляющей наклоном остова трицикла, необходимо значение поперечной составляющей силы инерции. Поэтому выражение (3.96) запишем в виде: L (4.22) Бортовая система трицикла в процессе движения должна определять требуемый угол по выражениям (4.21) и (4.22), а затем на эту величину наклонять его остов. Однако наличие в формуле (4.22) углов увода 1 и 2 , а также их производных дх и д2 может значительно затруднить этот процесс. Необходимость определять эти параметры в процессе движения потребует большего количества датчиков и силь 112 но усложнит алгоритм вычислений. Это, в свою очередь, может привести к удорожанию всей системы и ухудшить ее быстродействие. В этой ситуации, на наш взгляд, есть возможность упростить систему без ущерба её эффективности.
При определении критических скоростей трициклов необходимо учитывать углы увода, боковую деформацию шин и крен остова. Высокая точность вычислений требуется здесь потому, что речь идет о критических ситуациях - начале заноса или опрокидывания.
Если же остов трицикла в повороте наклонен на угол, определяемый по выражению (4.21), то речь идет о достижении максимальной устойчивости. Поэтому при небольшом отклонении от теоретически точного значения опрокидывание трицикла не произойдет.
Кроме того, боковой увод эластичных шин приводит к увеличению радиуса поворота. Следствием этого является повышение критической скорости по опрокидыванию. Поперечная деформация шин и крен остова приводят к уменьшению плеча стабилизирующего момента. Следствие этого - снижение критической скорости по опрокидыванию.
Таким образом, с некоторой долей приближения, допустимой в данной ситуации, можно считать, что указанные факторы компенсируют друг друга. Тогда выражение (4.22) можно записать в виде: F =r L(vtge + be). (4.23) Следует отметить, что скорость трицикла V, входящая в формулу (4.23), нельзя определить непосредственно. С помощью датчика (акселерометра) можно определить только ускорение.
Эту проблему решают обычно следующим образом.
В вычислительный блок системы от датчика поступает цифровой (дискретный) сигнал. Для этого либо применяют цифровые датчики, либо аналоговый сигнал оцифровывается в специальном блоке.
Дискретный сигнал представляет собой набор (последовательность) отдельных значений измеряемой величины. Как правило, измерений (время между соседними значениями сигнала) составляет 0,01…0,001с. При этом каждому моменту времени соответствует свое значение сигнала. Для нашего случая: моменту времени ti будет соответствовать значение ускорения
В вычислительном блоке можно производить различные действия с цифровыми сигналами. Например, вычислить разницу между предыдущим и последующим значениями: ti = ti - ti-1 . (4.24) Значит, можно определить мгновенное значение приращения скорости трицикла для каждого момента измерений: Vi = ахi ti . (4.25) Если известно предыдущее значение скорости трицикла, то получим: Vi = Vi-1 + Vi (4.26) Таким образом можно вычислять скорость трицикла в процессе движения. На рисунке 4.21 представлена схема автоматической системы, управляющей наклоном остова трицикла.
В её основе – блок управления, в который поступают сигналы от датчиков. Это акселерометр (датчик ускорения), датчик угла наклона остова, датчик положения руля, датчик скорости поворота руля. Блок управления обрабатывает эти сигналы и посылает управляющие воздействия исполнительным элементам 1 и 2. Так как механизм наклона остова трицикла может иметь как гидро -, так и электропривод, эта часть схемы не детализирована. В качестве исполнительных элементов условно показаны электродвигатели. Для управления исполнительными элементами в схему включены электромагнитные реле Р1 – Р4. На рисунке 4.22 представлен алгоритм работы этой системы.
Разработанный алгоритм в виде отдельного блока был внесен в имитационную модель. С её помощью было проведено моделирование движения трицикла при входе в поворот.
Здесь следует отметить, что представленная система по эффективности работы является идеальной. Это значит, что остов трицикла мгновенно наклоняется на угол, вычисленный по выражению (4.21). Реальная же система будет наклонять остов трицикла с некоторой задержкой, зависящей от времени её срабатывания. На первый взгляд, в имитационную модель необходимо внести дополнительный параметр – время срабатывания системы. Однако есть факторы, которые могут сильно повлиять на эту величину.
Так, во второй главе был предложен способ повышения быстродействия за счет датчиков, установленных под сиденьем водителя. Поворачивая руль, водитель рефлекторно наклоняется в сторону поворота. Соответствующий датчик под сиденьем реагирует на это и посылает сигнал в блок управления. За счет этого система заблаговременно начинает наклонять остов трицикла. Еще один способ повысить быстродействие такой системы – установить датчики на указателях поворота. Это позволит заранее получать информацию о предстоящем маневре.