Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Регулируемое действие как свойство тормозной системы 10
1.2 Методы исследования регулируемого действия тормозной системы 14
1.2.1 Экспериментальные исследования 14
1.2.2 Математическое моделирование системы "водитель-
автомобиль" в режиме регулируемого торможения 20
1.3 Обеспечение регулируемого действия тормозной системы 25
1.3.1 Статическая характеристика тормозной системы 25
1.3.2 Динамическая характеристика тормозной системы 27
1.4 Задачи исследования 31
2 Математическая имитационная модель системы "водитель-автомобиль" в режиме служебного торможения 33
2.1 Требования к модели и основные допущения 33
2.2 Обоснование модели 35
2.2.1 Блок схема системы "водитель-автомобиль" 35
2.2.2 Фаза изменения уровня замедления 37
2.2.3 Фаза равнозамедленного движения 38
2.2.4 Процесс служебного торможения 46
2.3 Модель системы "водитель-автомобиль" 48
2.4 Выводы по главе 52
3 Экспериментальное исследование процесса управления служебным торможением автомобиля 53
3.1 Задачи экспериментального исследования 54
3.2 Методика испытаний 55
3.2.1 Объект испытаний 55
3.2.2 Условия испытаний 57
3.2.3 Измерительная аппаратура 57
3.2.4 Процедура испытаний 58
3.3 Определение значений моделируемых параметров водителя 61
3.3.1 Допущения 61
3.3.2 Разностный порог различения замедления водителем 61
3.3.3 Ошибка установки замедления 66
3.3.4 Время корректировочного воздействия водителя 66
3.4 Проверка адекватности модели системы "водитель-автомобиль"
в режиме служебного торможения 69
3.5 Выводы по главе 75
4 Определение области динамических характеристик, обеспечивающих регулируемое действие тормозной системы 76
4.1 Задача и условия моделирования 76
4.2 Моделирование процесса служебного торможения. Планирование эксперимента 79
4.3 Диапазон допустимых значений параметров динамической характеристики тормозной системы 87
4.3 Выводы по главе 93
Выводы 95
Список литературы
- Методы исследования регулируемого действия тормозной системы
- Блок схема системы "водитель-автомобиль"
- Определение значений моделируемых параметров водителя
- Диапазон допустимых значений параметров динамической характеристики тормозной системы
Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение автомобильного парка, повышение интенсивности дорожного движения приводят к увеличению человеческих и материальных потерь в результате аварий, связанных с автомобильным транспортом. Для предотвращения нежелательных последствий автомобилизации, необходимо постоянно совершенствовать конструктивную безопасность автотранспортных средств (АТС), которая во многом определяется тормозными свойствами.
Стандарты на тормозные свойства автомобилей предъявляют высокие требования к эффективности и надежности тормозных систем. ГОСТ Р 51709, регламентирующий техническое состояние АТС в эксплуатации, наряду с требованиями к эффективности и надежности тормозной системы предписывает, что "действие рабочей и запасной тормозных систем должно быть регулируемым...; сила торможения должна регулироваться плавно и без затруднений" [17 (п.4.1.14)]. По определению ГОСТ Р 41.13 это значит, что "водителю... должна обеспечиваться возможность свободного регулирования силы торможения с достаточной точностью" [17 (н.2.13)].
Регулируемое действие тормозной системы необходимо для выполнения, так называемых, служебных торможений, которые составляют до 95% общего числа торможений в эксплуатации. К служебным относят торможения малой и средней интенсивности, при выполнении которых не стоит задача полного использования мощности тормозной системы и сцепных свойств дороги. Процесс служебного торможения является неустановившимся вследствие изменения замедления в результате управляющих воздействий водителя.
В условиях эксплуатации недостаточное регулируемое действие тормозной системы проявляется снижением комфортабельности, повышенной утомляемостью водителя, увеличением нагруженное деталей тормозной системы и ходовой части, может стать причиной потери устойчивости и управляемости автомобиля при торможении.
В настоящее время установлено, что регулируемое действие рабочей тормозной системы определяется параметрами связи между силой на тормозной педали, ее ходом и замедлением автомобиля, т.е. параметрами статической характеристики и динамики тормозной системы. Имеются рекомендации по выбору параметров статической характеристики рабочей тормозной системы. Однако вопрос нормирования параметров динамики рабочей тормозной системы с точки зрения регулируемого действия в настоящее время не решен. Стандарты на тормозные свойства и тормозные приводы АТС оговаривают время срабатывания тормозного привода [13, 14, 15] или рабочей тормозной системы [17] при полном (экстренном) приведении в действие органа управления тормозной системой и не регламентируют динамические свойства тормозной системы для частичных уровней затормаживания и растормаживания, типичных для служебных торможений АТС. Между тем известно [36, 37, 47, 53, 64], что со снижением уровня, до которого производится торможение, значения показателей динамики могут значительно ухудшаться. Поэтому, соответствие быстродействия рабочей тормозной системы в режиме экстренного торможения требованиям нормативных документов, не гарантирует достаточные динамические свойства тормозной системы при выполнении служебных торможений АТС в эксплуатации. Допустимые с точки зрения регулируемого действия значения показателей динамики тормозной системы в настоящее время не определены.
Принимая во внимание, что служебные торможения являются основным режимом работы тормозной системы в эксплуатации АТС, определение требований к динамике тормозной системы для обеспечения регули- руемого действия в режиме служебного торможения является актуальной задачей.
Цель работы. Обеспечение регулируемого действия тормозной системы АТС путем разработки эксплуатационных нормативов показателей динамики тормозной системы.
Объект исследований. Система "водитель-автомобиль" в режиме служебного торможения и показатели динамики тормозной системы АТС.
Методы исследований, использованные в работе: математическое имитационное моделирование системы "водитель-автомобиль" в режиме торможения; эксплуатационно-дорожные испытания и обработка экспериментальных данных методами математической статистики; планирование эксперимента.
Научная новизна:
Разработана математическая имитационная модель системы "водитель-автомобиль" в режиме служебного торможения, позволяющая определить влияние параметров тормозной системы на регулируемое действие тормозной системы АТС в эксплуатации.
На основе полученных экспериментальных данных определены статистические характеристики управляющих воздействий водителя в основном эксплуатационном режиме торможения АТС.
Определены области допустимых значений показателей динамики рабочей тормозной системы АТС в эксплуатации.
Практическая ценность работы:
1. Получены данные, позволяющие объективно проверить техническое состояние АТС в эксплуатации в части соответствия регулируемого действия тормозной системы требованиям государственного стандарта.
Разработана методика проверки динамики тормозной системы для контроля регулируемого действия тормозной системы АТС в эксплуатации.
Результаты исследований могут быть использованы при: проверке технического состояния тормозной системы АТС отделами технического надзора ГИБДД, станциями государственного технического осмотра, на автотранспортных предприятиях, станциях техобслуживания и тл.; проведении учебного процесса в ВУЗах; проектировании и конструировании тормозных систем конструкторскими бюро и отделами испытаний автозаводов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая имитационная модель системы "водитель- автомобиль" в режиме служебного торможения.
Экспериментальные данные о характеристиках управляющего воздействия водителя на тормозную систему в режиме служебного торможения АТС.
Область допустимых значений показателей динамики рабочей тормозной системы для обеспечения регулируемого действия в режиме служебного торможения АТС.
Внедрение результатов работы. Составленная по результатам диссертационной работы "Методика проверки регулируемого действия рабочей тормозной системы АТС в эксплуатации" внедрена в филиале ОАО "КамАЗ" ТОО "Омский областной автоцентр КамАЗ" для проверки регулируемого действия рабочей тормозной системы большегрузных автомобилей и в ООО "Омскавтоприцеп" для проверки динамики тормозной системы автопоезда на частичных уровнях торможения. Результаты диссертационной работы используются в научных исследованиях и учебном про- цессе при подготовке инженеров по специальностям 150200 - «Автомобили и автомобильное хозяйство» и 230100 - «Эксплуатация и обслуживание транспортных и технологических машин и оборудования» в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ).
Апробация работы. Основные положения, материалы и результаты работы докладывались и обсуждались: на 54-61 научно-технических конференциях СибАДИ (г.Омск, 1994-2001 г.); на международной научно-технической конференции "Повышение эффективности проектирования, испытаний и эксплуатации двигателей, автомобилей и дорожных машин" (г. Нижний Новгород, 1994 г.); на международной научной конференции, посвященной 70-летию СибАДИ (г. Омск, 2000 г.); на 5-й Российской научно-технической конференции "Прогрессивные технологии в транспортных системах" (г. Оренбург, 2002 г.) на 1-й Российско-Германской конференции "Проблемы безопасности дорожного движения" (г. Омск, 2002 г.).
Публикации. По результатам научных исследований опубликованы шесть статей и получены два авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 78 наименований и 3 приложений, изложенных на 126 страницах машинописного текста. Содержит 9 таблиц и 25 рисунков.
Методы исследования регулируемого действия тормозной системы
Исследования регулируемого действия тормозной системы, как и любой другой системы управления, в которой участвует человек-оператор, могут быть проведены аналитическими и экспериментальными методами, а также методом математического моделирования.
В исследованиях регулируемого действия тормозной системы аналитические методы пока не нашли широкого применения, и в основном применялись экспериментальные методы. Известны также попытки создания модели системы "водитель-автомобиль" в режиме служебного торможения.
Классификация экспериментальных исследований системы "водитель-автомобиль" в режиме регулируемого торможения представлена в табл. 1.2.
При проведении стендовых испытаний перед водителями (испытуемыми) ставилась достаточно условная задача управления, например, воздействуя на педаль, вывести точку на экране монитора на заданный уровень [58] или "затормозить" точку, движущуюся по экрану, так, чтобы она "остановилась" в заданном пункте [27]. Эти задачи управления существенно отличаются от реальных процессов регулируемого торможения. По этой причине результаты стендовых испытаний можно рассматривать только как качественные, которые можно использовать в качестве предварительных данных для проведения более детального исследования.
Лабораторно-дорожные испытания (см. табл. 1.2) отличаются высокой достоверностью. Достаточно сказать, что все практические рекомендации по выбору статической характеристики тормозной системы (см. п. 1.3.1) были получены в результате именно лабораторно-дорожных испытаний. В работе [29], например, путем обработки большого числа экспериментальных диаграмм служебного торможения, было установлено, что разностный порог различения водителем силы на педали составляет приблизительно 7% исходной силы (под разностным порогом понимается разница между двумя уровнями сигнала, в пределах которой водитель не ощущает разности между указанными уровнями и начиная с которой у водителя возникает ощущение разницы между сигналами [3]). Это значение совпадает с данными [65] полученными в лабораторных условиях.
Однако следует отметить, что лабораторно-дорожные испытания отличаются значительной сложностью, которая обусловлена:
1) так называемым "человеческим фактором", типичным для любого инженерно-психологического эксперимента [18] и предопределяющим необходимость участия в испытаниях большого числа водителей (до 100 человек [62]);
2) необходимостью варьирования характеристик тормозной системы в исследуемом диапазоне, которое обеспечивалось выбором разных моделей АТС [41, 47, 72], созданием специальных экспериментальных тормозных приводов с изменяемыми характеристиками [29, 49, 62] и даже автомобиля-лаборатории [71, 73].
При испытаниях в режиме регулируемого экстренного торможения (на поверхности, покрытой смазкой [73], "микст" [21], и т.д.) критериями качества выполнения торможения и, соответственно, критериями регулируемого действия были объективные показатели эффективности торможения (тормозной путь, среднее замедление по пути и т.д.) и устойчивости движения АТС, например, частота выхода из коридора движения. Метод субъективной оценки водителями [4] регулируемого действия применялся как вспомогательный.
При испытаниях в режиме служебного торможения метод субъективной оценки регулируемого действия водителями был основным. Данный критерий имеет известные недостатки, в частности усиливается влияние, так называемого, субъективного фактора [4]. Отсутствие объективного критерия является также существенным препятствием для исследования регулируемого действия тормозной системы в режиме служебного торможения методом моделирования системы "водитель-автомобиль".
Исключение составляют исследования научной школы СибАДИ, в которых был обоснован и экспериментально проверен объективный критерий качества процесса служебного торможения, позволяющий проводить сравнительную оценку регулируемого действия разных вариантов тормозной системы по изменению замедления j во времени г, т.е. по диаграмме № служебного торможения [47, 51].
Блок схема системы "водитель-автомобиль"
Блок схема системы "водитель-автомобиль" представлена на рис. 2.1. В процессе служебного торможения водитель воспринимает следующие параметры движения автомобиля: 1) расстояние [50 - S(t)] до выбранного пункта остановки автомобиля, где So - тормозной путь (расстояние до остановки в момент начала торможения), а S(t) - путь, проходимый автомобилем в процессе торможения; 2) скорость V(t); 3) замедление/ ).
По оценкам расстояния и скорости водитель определяет требуемое замедление/ ), сравнивает его с действительным j{t) и обнаруженное рассогласование устраняет воздействием на педаль тормоза с силой F. При управлении торможением водитель допускает случайную ошибку 5, в оценке рассогласования действительного j(t) и требуемого уровней замедления/ ). в результате водитель стремится установить не истинный требуемый уровень./ а уровень j=js(\+bj). (2.2)
Когда водитель совершает корректировочные воздействия, стремясь установить желаемый уровень замедления j, он воздействует на педаль тормоза, и эти действия также сопровождаются ошибкой 5 (1.6), обусловленной порогом восприятия водителя 5/г силы F, с которой он перемещает педаль тормоза. Порог различения силы на педали 5г ограничен некоторым диапазоном "нечувствительности" водителя к изменению силы F и в пределах этого диапазона является случайной величиной.
При этом величина ошибки 5 регулирования замедления определяется не только порогом (случайной ошибкой силы на педали) 8г различения водителем силы на педали F, но увеличивается с ростом произведения KFQ коэффициента преобразования К и зоны нечувствительности F0 тормозной системы (см. п. 1.3.1).
Таким образом, случайные ошибки оценки 5, (2.1) требуемого уровня замедления и 5/г дозирования силы на педали тормоза согласно уравнений (1.6) и (2.2) обусловливают результирующую ошибку управляющего воздействия водителя
Наличие случайных составляющих 5, (2.1)и5гв процессе регулирования уровня замедления водителем предопределяют стохастический характер процесса служебного торможения.
В некоторый момент времени, когда водитель обнаружил рассогласование между действительным и требуемым для равнозамедленного движения уровнями замедления он изменяет замедление (/-я фаза изменения замедления), стремясь установить уровень jSi (1.4), обеспечивающий равно-замедленную остановку на тормозном пути 5,: jS, = V} /2St. (2.4)
Процесс изменения уровня замедления во времени 7,{t), начиная с некоторого уровня замедления 7;Ч предшествующей (М) фазы равнозамедленного движения, определяется как темпом перемещения педали водителем, так и динамической характеристикой тормозной системы и в общем случае может быть записан системой уравнений: т = Л-1+Л0; Ui-i JS;y Л-1-Л0; Ui-i jSi) (2.5) где fit) - монотонная функция изменения замедления во времени.
В зависимости от того, выше или ниже уровень замедления у м предшествующей (М) фазы равнозамедленного движения, чем требуемый для равнозамедленной остановки в заданном пункте уровень замедления js.
(2.4), функция fit) функция изменения замедления во времени может быть соответственно возрастающей или убывающей.
Определение значений моделируемых параметров водителя
Экспериментальные диаграммы служебны торможений были подвергнуты обработке с целью определения следующих статистических характеристик водителя: 1) разностного порога различения замедления 5в; 2) ошибки установки замедления 5,; 2) времени корректировочного управляющего воздействия на педаль управления тормозной системой.
При обработке диаграмм были приняты следующие допущения:
1) значения параметров, характеризующих запаздывание тормозных приводов и, соответственно, тормозных систем экспериментального автомобиля пренебрежимо малы (см. п. 3.2.1), и влияние динамической характеристики тормозной системы на процесс служебного торможения можно не принимать во внимание;
2) поскольку значения коэффициента преобразования К и зоны нечувствительности F0 тормозной системы лежат в допустимых пределах (1.7) (см. п. 3.2.1), влияние ошибки bf водителя в установке силы на педали несущественно, и в первом приближении, им можно пренебречь;
3) время реакции водителя в на рассогласование между замедлением, требуемым jf5 для равнозамедленной остановки в заданном пункте и действительным уровнем замедления у, по литературным данным [54] составляет в среднем 0,1 с.
Под разностным порогом понимается разница между двумя уровнями замедления, в пределах которой водитель не ощущает разности между указанными уровнями. Превышение разностного порога вызывает у водителя ощущение разницы в уровнях замедления (см. п. 1.2.1). Общепринято величину разностного порога указывать в относительных величинах от исходного уровня сигнала, воспринимаемого водителем [3].
Разностный порог 5в различения замедления водителем определяли следующим образом (рис. 3.3). Для каждой (г-й) фазы равнозамедленного движения (а) подсчитывали изменение ошибки регулирования 5/(ґ) (2.13) и затем находили значение ошибки dfo) в моменты времени t5. (2.15) окончания фазы равнозамедленного движения (начала фазы корректировочного изменения замедления), обозначенные на рис. 3.3 точками С.
Исходя из уравнения (2.15), разностный порог бц. подсчитывался по уравнению бВ,=б/ Уг vi-ji(%B)_ (3.5) где Vi Kji - начальная якорость ь замедление есответственнн z -й йазы равнозамедленного движения.
Значения порога перед затормаживаниями Ь"в. (корректировочными увеличениями замедления у,) были отрицательными, а значения порога пе ред растормаживаниями 6 (корректировочными снижениями замедле ния ) были положительными. В связи с этим были сформированы две вы борки значений порога различения замедления - предшествующие затор маживанию и растормаживанию Sg. Значения из выборки бв были инвертированы по знаку, т.е. 5g =-15g. Эта процедура позволила объединить две вышеуказанных выборки в одну 5в.
Над полученной выборкой 5в была проведена известная процедура отсева аномальных значений с использованием -распределения Стьюдента [5] на уровне значимости 10 %. В результате статистической обработки установлено, что: - среднее значение порога различения замедления составляет бв = 0,145; - среднее квадратичное отклонение а = 0,070.
Получена гистограмма распределения порога 5в различения замедления водителем (рис.3.4). Форма гистограммы достаточно близка нормальному распределению (сплошная линия) с плотностью вероятности
Проверка нормальности распределения проведена для уровня значимости 10% с помощью критериев:
1) Пирсона: -значение критерия Пирсона, Хвыч 1,41 -число степеней свободы, к 4 - Критическое значение Ха.к при а = 0,10 7,78 -условие Хвыч Х%к выполнено -вероятностьPi(х) = Р,(Хо Хвь1Ч) 0 84
2) Колмогорова: - максимальное отклонение выборочной функции распределения от теоретической, D„ 0,04 -объем выборки, п 123 -критическое значение статистики D„;a при а = 0,10 0,12 -условие D„ D„;a выполнено
Таким образом, порог различения замедления в с доверительной вероятностью 90 % распределен по нормальному закону (3.6) с параметрами (рис. 3.4)
Диапазон допустимых значений параметров динамической характеристики тормозной системы
Время управляющего перемещения педали тормоза водителем в среднем составляет 0,8 с (см. п. 3.3.4). Водитель является своего рода фильтром, который "ухудшает" динамические свойства тормозной системы. Как следует из рис. 4.4, увеличение времени изменения замедления Ти с 0,1 с (нижняя линия) до 0,8 с (средняя линия), что соответствует предельным динамическим возможностям водителя, повышает значение критерия b? качества служебного торможения в среднем на 15-20%.
Исходя из ограниченных динамических свойств управляющего воздействия водителя, можно утверждать, что время изменения замедления ти, равное 0,8 с, является достаточным, так как соответствует психофизиологическим возможностям водителя. Снижение времени изменения замедления Ти ниже 0,8 с не приведет к улучшению регулируемого действия в режиме служебного торможения, потому что водитель не сможет реализовать более высокие динамические свойства тормозной системы.
С другой стороны, время изменения замедления Ти, равное 0,8 с, следует считать максимально допустимым, так как его увеличение приводит к росту критерия 5д качества служебного торможения (см. рис. 4.3), т.е. ти 0,8 (4.17)
Рост другого параметра динамики тормозной системы - времени запаздывания т. - в исследуемом диапазоне от О до 0,6 с вызывает более сильное снижение качества служебного торможения и ухудшение регулируемого действия (см. рис. 4.4). Однако примерно для значений времени запаздывания х меньших 0,3 с это ухудшение не является существенным. Более того, на средней линии диаграммы 5Л(х; Хи = 0,8), которая является предельно допустимой по времени изменения замедления, рост времени запаздывания х от О до 0,2 с не влияет на величину критерия 8R качества служебного торможения.
Таким образом, максимально допустимыми значениями можно принять: - время изменения замедления Хи = 0,8 с; - время запаздывания тормозной системы х = 0,2 с.
Согласно уравнению регрессии (4.16) соответствующее значение критерия качества служебного торможения составляет 5? = 0,356 и оно было принято в качестве максимально допустимого, т.е. Чоп50 356 (4.18)
Исходя из этого условия находили допустимые значения времени Ти изменения замедления и времени т запаздывания тормозной системы. Для этого максимально допустимое значение bR подставляли в уравнение (4.16) и после преобразований было получено следующее уравнение, устанавливающая зависимость между временем изменения замедления Ти и временем запаздывания тормозной системы т, при которых достигается значение допустимое критерия качества служебного торможения R =0,356: ти = 0,76+ 3,3 1-15,6x2. (4.19)
Эта зависимость, имеющая вид параболы, показана на рис. 4.6 штриховой линией ABCD. Из этой линии следует, что например, на отрезке BD для достижения эквивалентного достаточного качества служебного торможения (регулируемого действия тормозной системы) при увеличении времени т запаздывания тормозной системы необходимо обеспечить соответствующее снижение времени изменения замедления ти- Если значения времени т запаздывания тормозной системы и времени изменения замедления Ти располагаются под кривой ABCD, то в этом случае возможно улучшение регулируемого действия тормозной системы, тогда как расположение значений т и Ти над кривой ABCD однозначно ухудшают регулируемое действие.
