Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования . 11
1.1. функциональные требования к тормозной системе автомобиля. 11
1.2. Работы посвященные импульсному торможению ... 13
1.3. Выводы по обзору и постановка задач исследования 26
Глава 2. Математическая модель тормозной системы 28
2.1. Колесо 28
2.2. Тормозной механизм 34
2.3. Тормозная камера 40
2.4. Модулятор давления 42
2.5. Выводы по главе... 50
Глава 3. Теоретическое исследование модулирования тормозного сигнала 51
3.1. Измерители эффективности торможения и устоим чивости движения 51
3.2. Влияние некоторых факторов на эффективность, торможения одиночного колеса 54
3.3. Возможности учитывания эксплуатационных условий при выборе режима модуляции тормозного сигнала 65
3.4. Сравнение обыкновенного торможения с импульсным торможением 67
3.5. Выбор частоты и амплитуды тормозного момента. 70
3.6. Влияние формы сигнала на эффективность торможения 74
3.7. Выбор коэффициентов наполнения и опорожнения. 75
3.8. Влияние нормальной нагрузки на выбор частоты модуляции тормозного сигнала... 83
3.9. Импульсное торможение при различных усилиях на тормозную педаль 85
3.10. Выбор закона модуляции в зависимости от коэффициента сцепления с дорогой 89
3.11. Выводы по главе 95
Глава 4. Методика и средства проведения экспериментальных исследований импульсной тормозной системы . 97
4.1. Стендовые испытания импульсного тормозного привода 97
4.2. Дорожные испытания 110
4.3. Практические рекомендации по применению импульсной тормозной системы на городском автобусе 121
4.4. Выводы по главе... 124
Основные результаты и общие выводы по работе 126
Литература 128
Приложение 138
- Работы посвященные импульсному торможению
- Влияние некоторых факторов на эффективность, торможения одиночного колеса
- Возможности учитывания эксплуатационных условий при выборе режима модуляции тормозного сигнала
- Практические рекомендации по применению импульсной тормозной системы на городском автобусе
Введение к работе
В настоящее время в мировой практике намечается тенденция возрастания роли автомобильного транспорта в перевозе грузов и пассажиров. Уровень развития автомобилестроения любой страны фокусирует достижения науки и техники, особенно если это касается вопросов повышения активной безопасности движения автомобилей.
Интенсивность движения увеличилась, ответственность и реакция водителей остались теми же, в связи с чем повышается опасность возникновения дорожно-транспортных происшествий. Современные автомобили способны надежно отрабатывать поданные им команды, однако сами эти команды особенно в экстремальных ситуациях часто бывают неправильными.
Одной из самых экстремальных ситуаций является торможение автомобилей. Неоптимальное управление тормозами не позволяет развить требуемую тормозную эффективность. При недотормажива-нии развиваемая тормозная сила меньше максимального, однако сохраняется устойчивость и управляемость движения, а более частое перетормаживание приводит к потери устойчивости и управляемости. Поэтому повышение безопасности процесса торможения является первостепенной задачей.
Применение автоматизированных антиблокировочных систем (АБС) является одним из возможных решений этой задачи. В научно-исследовательских институтах и на заводах проводятся работы по совершенствованию АБС, однако их применение в Советском Союзе до настоящего времени незначительное. Видимо главной причиной этого является их высокая стоимость. До тех пор, пока их цена не будет значительно снижена, имеет практическое значение разработка упрощенных вариантов АБС. Упрощение АБС С сокращение количества исполнительных органов, сокращение числа еле-
9 дящих устройств, отказ от обратной связи и т.д.) предъявляет высокие требования к работе модулятора давления. Упрощенные варианты должны эффективно работать среди изменяющихся эксплуатационных условиях (скорость движения, коэффициент сцепления с дорогой, нагрузка на колесо), поэтому их применение является целесообразным на тех автомобилях, при работе которых эксплуатационные условия меняются в узком диапазоне. Однако для эффективной и безопасной эксплуатации таких автомобилей надо решить комплекс проблем, связанных с обеспечением с требуемой тормозной эффективности и устойчивости их движения во время торможения.
Основу общей методологии диссертации составили принципы системного подхода к исследованию. В работе использованы численные методы математического анализа, математического моделирования, программирования и экспериментальные методы. При составлении математического описания системы широко использовались результаты выполненных ранее советскими и зарубежными специалистами теоретических и экспериментальных работ по рассматриваемому вопросу. Результаты моделирования сопоставлялись с результатами дорожных и стендовых испытаний.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем. Разработан импульсный тормозной привод городского автобуса и приведено теоретическое и экспериментальное исследование по обоснованию выбора закона модуляции тормозного сигнала. Разработана математическая модель импульсной тормозной системы, реализованная в виде прикладной программы на ЭВМ, а также разработан алгоритм функционирования блока управления в случае возможности электронного управления модулятором.
На защиту выносятся:
I. Результаты теоретического анализа выбора закона моду-
10 ляции тормозного сигнала.
Результаты экспериментальных исследований импульсной тормозной системы городского автобуса.
Рекомендации по выбору параметров модулятора давления и совершенствованию тормозного привода.
Диссертационная работа состоит из 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложения, включает &, стр. машинописного текста, 6 таблиц и 4? рисунков.
Данная диссертационная работа выполнялась на кафедре "Автомобили" Московского автомеханического института. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю к.т.н., проф. В.В.Селифонову и к.т.н. П.В.Кондаурову.
Работы посвященные импульсному торможению
Широко известен способ торможения опытных водителей на скользких дорогах, при котором автомобиль сохраняет устойчивость движения в течении всего торможения. Целесообразность способа отмечается уже в ранних работах. Б работе [ 15 ] говорится: "... особое место занимает точечное торможение сводящееся к нескольким последовательным нажатием на тормозную педаль. При движении по дорогам с сухим покрытием этот способ торможения вряд ли может быть рекомендован, однако на скользкой дороге при склонности автомобиля к заносу этот метод торможения представляется целесообразным. "Способ торможения у разных авторов имеет разное название. В работе [39] отмечается: "...в практике испытаний автомобилей в зимних условиях неоднократно применялся метод прерывистого .торможения. Опыт показал, что этот метод имеет бесспорные преимущества с точки зрения сохранения устойчивости автомобиля при экстренном торможении на зимней дороге и должен быть шире рекомендован для практического использования". В работе [44]уже даются рекомендации по усилию нажатия на тормозную педаль в зависимости от условий движения. В более поздних работах появляются дополнительные устройства, которые автоматически изменяют усилие в тормозном приводе [ 37, 83, 87, 97 ] . Они работают при большей частоте, чем может обеспечивать водитель. Для нас из существующих конструкций представляет особый интерес импульсатор для пневматической тормозной системы, работающий по принципу периодического впуска и выпуска воздуха из тормозных камер во время торможения . [87] Импульсатор показан на рис. I.I., принцип его действия на рис. 1.2.
Воздух из ресивера 12 через тормозной кран 16 и через импульсатор поступает в тормозную камеру 14. В исходном положении воздух свободно проходит через импульсатор. Спустя некоторое время полость А наполняется воздухом через форсунку 74, давление увеличивается и при определенном его значении диафрагма 56 перемещает шток 54 направо. Отверстие 28 закрывается, отверстие 34 открывается, воздух выпускается из тормозной камеры в атмосферу. Когда разница давлений между полостями А и Б преодолевает усилие пружины клапана 77, клапан открывается, воздух выпускается из полости А, давление уменьшается и пружина 62 перемещает шток налево. Отверстие 34 закроется, отверстие 28 откроется и воздух снова свободно поступает в тормозные камеры. Клины 78 и 84 служат для поддержания поршня 38 в крайних положениях. Это нужно для того, чтобы обеспечить необходимую величину изменения давления в тормозной камере. Винт 76 служит для регулировки амплитуды и частоты изменения давления, однако их величины строго связаны друг с другом. Недостатком данной конструкции является невозможность изменения режима работы во время торможения в зависимости от эксплуатационных условий.
В работе [ 37 ] дается описание обстоятельного теоретического и экспериментального исследования импульсного способа торможения. Приводится зависимость между амплитудой и частотой синусоидально меняющегося тормозного момента для получения высокой эффективности торможения.
Данная зависимость является справедливой только в случае точного совпадения среднего значения тормозного момента и момента по сцеплению. Реальный импульсный привод работает при изменении эксплуатационных условий, а формула является справедливой для их конкретных значений. Импульсатор не имеет обратной связи и во время торможения, не получая информацию о значениях эксплуатационных факторов, не может приспособиться к ним. Поэтому при выборе амплитуды и частоты необходимо учитывать то, что его работа должна быть эффективна при определенном интервале эксплуатационных факторов. Формула также не учитывает влияние модулятора давления и тормозного механизма.
В работе установлено, что максимальная эффективность импульсного торможения достигается при оптимальной частоте колебаний тормозного момента, которая гарантирует реализацию коэффициента сцепления в пределах 0,8 - 0,9 от максимального значения коэффициента сцепления при значительном отклонении среднего значения тормозного момента от момента по сцеплению: также выяснено, что импульсное подведение тормозного момента значительно снижает неравномерность тормозных сил на колеса одной оси, что способствует повышению боковой устойчивости автомобиля.
Работа Ю.М.Калинина представляет большой интерес, однако следует отметить, что при оптимизации работы импульсного органа автор ставит целью достижение максимальной тормозной эффективности, но импульсный привод должен осуществлять другую задачу, он должен обеспечивать по возможности наилучшее сочетание устойчивости и тормозной эффективности автомобиля. Следует также отметить, что импульсатор для гидравлической тормозной системы применяемой в работе [ 37 ] является достаточно сложным.
Влияние некоторых факторов на эффективность, торможения одиночного колеса
Изучаем влияние следующих факторов: - частота и амплитуда колебаний тормозного момента; - соотношение среднего значения тормозного момента ж момента по сцеплению; - загруженность; - сцепные свойства дорогиj. - скорость движения. для теоретического исследования торможения одиночного колеса разработаны две математических модели, отличающихся по сложности. Алгоритм вчисления основных показателей торможения на ЭВМ представлен в приложении. Такой подход, когда для анализа сложных объектов создаются и изучаются с помощью ЭВМ системы дифференциалышх уравнений и уравнений связей, выражающих в математической форме основные закономерности, получил большое распространение. Математическая модель колеса содержит следующие уравнения: 2.1, 2.2, 2.3, 2.4. С целью упрощения первых исследований считаем, что тормозной момент меняется синусоидально; где М - среднее значение тормозного момента Г Нм ] Л - амплитуда тормозного момента Q Нм ] У - фреквенндя тормозного момента [ 1/сек ] і - время [ сек J Программа для ЭВМ также дается в приложении. Получаем диаграму зависимости угловой скорости колеса аГ от времени (рис.3.1.). Торможение разделяется на две стадии: неустановившаяся (от начала возникновения первого импульса до установившейся стадии); установившаяся стадия (когда изменение угловой скорости колеса приходит в соответствие с изменением тормозного момента). При большинстве торможений время неустановившейся стадии незначительно сравнительно с временем установившейся стадии. Бремя нейстановившейся стадии зависит от частоты, амплитуды и среднего значения тормозного момента такаю от угловой скорости колеса, при которой возникает первое импульсное воздействие. Одинаковые фазы угловой скорости показаны пунктирными линиями.
Уменьшение отклонения угловой скорости колеса от этой скорости уменьшает продолжительность неустановившейся стадии. Отклонение угловой скорости АиГ зависит от величины тормозного момента; действующая до появления первого импульса (1,2,3 на рисЗ.1). Наиболее важной является установившаяся стадия торможения. Математическая модель для изучения влияния главных факторов содержит уравнения: 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 3.4, 3.5. Продольную скорость движения колеса хГ за время Т уменьшается. Замедление продольной скорости колеса равно замедлению автомобиля. Предположим, что если внутри каждого периода, определяем оптимальную частоту, V тогда получим зависимость оптимальну!) частоту в зависимости от скорости колеса. Правильность этого подхода проверялась следующим образом. При разных скоростях продольного движения колеса V определялась значения фреквещии при которых принимает одинаковое, заранее заданное значение. Соответствующие значения и определяют функцию 1(тг), которая получается аппроксимацией. Математическая модель, которая служит для проверки допущения, отличается от предыдущей модели только тем, что фреквенция V У (VJ является функцией от скорости хГ . Полученное значение равно предыдущему значению 7 , что и является доказательством правильности допущения. Возможны три соотношения среднего значения тормозного момента и момента по сцеплению:
Первое соотношение наиболее опасное из-за появления скольжения затормаживаемых колес. Второе соотношение в практике имеет несущественное значение из-за маленькой вероятности его возникновения. Третье соотношение менее опасное с точки зрения устойчивости при торможении. На рис.3.2 показано влияние амплитуды и частоты тормозного момента на коэффициенты и 4 при конкретных условиях (продольная скорость ДВЖКЄРШЯ колеса V ; загруженность G- ; максимальное значение коэффициента сцепления J usr) Тормозная эффективность достигает своего максимума при определенной величине частоты колебаний. Снижение частоты приводит к излишнему разгону в фазе растормаживания и к возрастанию времени скольжения колеса в фазе затормаживания. Увеличение частоты по сравнению с оптимальным значением приводит к недостаточному разгону колеса в фазе растормаживания и относительному возрастанию времени скольжения в фазе затормаживания. С увеличением частоты возрастает S , . С увеличением амплитуды максимальное значение незначительно увеличивается, а сама кривая перемещается направо. При этом форма кривой мало меняется. С увеличением амплитуды при одинаковых частотах Зу, уменьшается. Это объясняется с увеличением разгона колеса в фазе растормаживания.
Возможности учитывания эксплуатационных условий при выборе режима модуляции тормозного сигнала
Эксплуатационные условия, которые возможно измерить и учитывать, следующие: - нормальная нагрузка, действующая на колесо ; - продольная скорость колеса V ; - коэффициент сцепления шины с дорогой W Существует 8 вариантов учитывания эксплуатационных условий, некоторые из них показаны в таблице 3.1. Любому варианту соответствует часть пространства (точка, отрезок, прямоугольник или прямоугольный параллелепипед), где торможение должно быть эффективным. Пространство эксплуатационных условий показано на рис.3.8. Любая точка пространства соответствует конкретному сочетанию эксплуатационных условий. Как надо вычислить оптимальное значение частоты в точке РСб 1Г,у)у&& рассмотрели (пятый вариант) в подразделе 3.2. В связи с тем, что реальные конструкции не имеют обратную связь от колеса, т.е. не измеряется коэффициент сцепления во время торможения, режим работы модулятора необходимо определить не в одной точке, а для множества, точек. В зависимости от того, какие условия учитываются, множество точек может иметь вышеуказанные геометрические формы. Учет скорости движения повышает эффективность торможения, для этого рассмотрим две возможности: - измерение скорости движения при начале торможения; - измерение скорости движения в течении торможения. Осуществление первой не вызывает особых затруднений. Измерение скорости необходимо произвести в момент нажатия на тормозную педаль.
Осуществление второй является гораздо сложнее. Нормальную нагрузку, действующую на колесо можно измерить с помощью регулятора давления. Выбираем любое реальное входное давление в модулятор и конкретную частоту модулирования. В точках параллелипипеда эксплуатационных условий Ь) вычисляем показатели т и 4 . Удовлетворительные значения показателей получаем только в части параллелепипеда. Отсюда следует, что без изменения входного давления или частоты модуляции не получим удовлетворительный результат для всех эксплуатационных условий. Влияние эксплуатационных факторов на закон модуляции зависит от того, во сколько раз увеличивается или уменьшается оптимальное значение частоты модуляции в зависимости от изменения самого эксплуатационного фактора. С этой точки зрения существует следующий порядок ме.жду эксплуатационными факторами: коэффициент сцепления, скорость, нагрузка на колесо. В заключении можно отметить, что учитывание любого эксплуатационного условия повышает качество импульсного торможения. С целью выяснения предельных возможностей импульсного торможения сравниваем два способа торможения: - обыкновенное торможение постоянным тормозным моментом, когда М = М ; - импульсное торможение, у которого тормозной момент выражается по формуле:
Среднее значение тормозного момента М импульсного торможения принимаем равным тормозному моменту обыкновенного торможения. Для вычисления показателей торможения используем четвертую программу. При разных коэффициентах сцепления вычисляем показатель использования коэффициента сцепления и среднее значение относительного проскальзывания для обоих способов тормо хеши її построил графики зависимое ти % р"4?98«Л Графики показаны на рис.3.9 Характер кривых "а" и "б" отличается друг от друга, (а - обыкновенное торможение; б - импульсное торможение). Обыкновенное торможение полностью определяет величина тормозного момента М& От УЪ,п до 0L является постоянной веліниной, которая вычисляется из следующей формулы: где ySsi - значение коэффициента сцепления при $ = I Этот отрезок кривой соответствует блокированию колеса. Максимальное значение коэффициента сцепления при котором кривая "а" принимает своего максимума, вычисляется из выражения: Максимальное значение показателя: К = I. Если К» уменьшается. К вычисляется из выражения: Кривая "а" в этом интервале является гиперболой. Среднее значение относительного проскальзывания djL кри-вая "а" на интервале (Р принимает постоянное значение: = I. В интервале jg. з вычисляется из уравнений 2.2 и 3.4. Значения -& , и $ для импульсного торможения вычисляются с помощью математической модели колеса. с определяется из следующей зависимости
Практические рекомендации по применению импульсной тормозной системы на городском автобусе
При эксплуатации импульсной тормозной системы на городском автобусе необходимо учитывать следующие особенности. Одна из главных особенностей связана с характером изменения давления воздуха в тормозных камерах. В известном пневматическом приводе при максимальном давлении воздуха в тормозных камерах эффективное торможение обеспечивается на участках дороги с высоким коэффициентом сцепления у , а на участках дороги с маленькими значениями коэффициента W наблюдается эффект перетормаживания. В случае модулирования тормозного сигнала это значение давления имеет место на входе модулятора, причем в тормозных камерах средняя величина давления существенно меньше значения входного. При этом необходимо учесть то обстоятельство, что среднее значение давления в тормозных камерах является исходным при определении тормозной эффективности. Таким образом, главным ограничением является то, что нельзя повышать входное давление в модулятор без соответствующей замены компрессора пневматической тормозной системы. Полученная величина среднего давления воздуха в тормозных камерах не может в полной мере обеспечить тормозную эффективность на участках дороги, имеющих высокое значение коэффициента сцепления у . В связи с этим применение импульсной тормозной системы ограничивается для небольших значений тр . При эксп луатации разработанной системы водитель уверенно пользуется тормозной педалью на- участках дороги даже с небольшими значениями J , лежащими в интервале 0,1...0,4. Максимальное значение коэффициента сцепления У , при котором система эффективно функционирует определяется следующей зависимостью: где Pop - среднее давление воздуха в тормозных камерах? т - активная площадь диафрагмы тормозной камеры;
У - коэффициент усиления тормозного механизма; «v»iate _ максимальная вертикальная нагрузка, действующая на колесо; Р - радиус колеса. График зависимости оптимальной величины частоты от продольной скорости автобуса представлен на рис.3.20. Зависимость аппроксимируется формулой: коэффициенты полиномиальной модели рассчитаны по специальной программе на ЭВМ. Зависимость является справедливой для передних тормозов автобуса Икарус 280. В случае применения электронного блока управления модулятором давления алгоритм функционирования блока представлен на рис.4.12. Применяем следующие обозначения: f - сила, действующая на тормозную педаль; t - текущее время от начала торможения; А t - время одного цикла работы электронного блока; і - время нарастания давления; У - частота модуляции, В исходном положении частота модуляции равна нулю. На чалом отсчета времени является момент нажатия на тормозную педаль. После нарастания давления в тормозных камерах за вре-мя включается модулятор давления. Скорость движения или непосредственно измеряется, или вычисляется по формуле 3.9. После этого вычисляется оптимальное значение частоты модуляции по формуле 3.8. В связи с тем, что осуществлять регулировку частоты изменения тормозного момента в зависимости от скорости автобуса представляется весьма сложным, возможно пользоваться упрощенной моделью. Частоту изменения тормозного момента следует принять неизменяемой в течение всего периода торможения. Ее значение определяется при условно минимальной скорости автобуса 10 км/ч. В этом случае при небольших скоростях работа импульсной системы будет наиболее благоприятной, поскольку значительно улучшается боковая устойчивость и сохраняется минимально допустимое значение тормозной эффективности.
При больших скоростях автобуса боковая устойчивость автобуса несколько ухудшается, а тормозная эффективность уваливается по сравнению с теми же показателями, имеющими место на маленьких скоростях. Для передних тормозов наиболее приемлемое значение частоты равно: V =1,2. Применение модуляции тормозного сигнала возможно на переднем, на заднем или на всех мостах. Наиболее эффективным является применение модуляции на всех колесах. I. Экспериментально доказано, что даже при неоптимальной частоте модулирования тормозного сигнала, торможение в широком диапазоне усилий воздействия на тормозную педаль дает лучшие результаты, чем блокирование колес. 2. Установлено, что модулирование тормозного сигнала оказывает существенное влияние на устойчивость при торможении; при нерегулируемой частоте тормозного сигнала в диапазоне I... 4 Гц на ледяной дороге относительное проскальзывание уменьшается до значения 0,6, а на снежной - до 0,64. 3. При перетормаживании в диапазоне частоты I...4 Гц уменьшение тормозного пути составляет 5-10$. 4. Показано, что при переторможении увеличение частоты выше оптимального значения увеличивает относительное проскальзывание. Модулирование тормозного сигнала позволяет водителю более уверенно пользоваться тормозной педалью. 5. Разработаны практические рекомендации по применению импульсной тормозной системы на городском автобусе, позволяющие эффективно эксплуатировать разработанную систему на переднем, заднем или на всех мостах. В результате проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований и разработок решены следующие задачи: 1. Систематизированы и обощены данные имеющихся теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение качества и технического уровня импульсного торможения. 2. Установлены и научно обоснованы пути повышения устойчивости при торможении и тормозной эффективности с использованием модуляции тормозного сигнала, показано, что при большинстве торможений время неустановившейся стадии незначительно с временем установившейся стадии, поэтому оптимальный закон модулирования тормозного сигнала определяется в установившейся стадии торможения. 3. Разработана методика расчета модулирования тормозного сигнала, учитывающая особенности тормозной системы, эксплуатационные условия и позволяющая определить оптимальную частоту модулирования. Установлено, что оптимальное значение частоты увеличивается при уменьшении продольной скорости движения колеса, а также при увеличении максимального значения коэффициента сцепления и возрастании нагрузки на колесо. 4. Доказано, что интервал коэффициента сцепления, при значениях которого импульсное торможение является эффективным, пропорционален среднему давлению в тормозных камерах.
