Управляемость автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управляемость автомобиля

Оценки влияния основных параметров автомобиля на его управляемость

Существенным недостатком одномассовой плоской расчетной модели является то, что нельзя теоретически исследовать влияние на управляемость таких конструктивных параметров как кинематика рулевого привода и характеристики подвески. Кроме того, модель не учитывает такого важного фактора как перераспределение нормальных реакций на колесах автомобиля.

Приближенно влияние перераспределения вертикальных реакций можно исследовать применяя пространственную одномассовую четырехколесную модель из работ [70], [130], [81] , [121] , [84]).В этих случаях, как правило, боковые реакции выражаются через углы увода и коэффициенты сопротивления уводу, которые необходимо корректировать в зависимости от вертикальных нагрузок, действующих на колеса. Поскольку изменение углов развала связано с креном кузова, то при использовании этой модели углы развала считают неизменными. В большинстве случаев авторы считали углы поворота управляемых колес и их углы увода одинаковыми.

Применение пространственной одномассовой модели расширяет круг задач, которые могут быть решены с использованием такой модели. Однако, любой из ее вариантов не позволяет получить достаточно достоверные результаты с учетом такого важного элемента автомобиля, каким является подвеска. Кроме этого, использование этой модели не дает возможности полностью учитывать характеристики шин и их изменение при крене кузова автомобиля. Поэтому, в последнее время в ряде работ рассматриваются расчетные модели автомобиля, в которых принимается во внимание упругая связь между подрессоренными и неподрессоренными частями: [105], [47], [119], [147], [141, 142], [45].

Основной, в этих исследованиях, следует считать двухмассовую расчетную модель автомобиля с тремя степенями свободы (движение всего автомобиля в поперечном направлении, поворот его относительно вертикальной оси и поворот подрессоренных масс относительно оси крена). В зависимости от поставленной задачи, такая модель может быть дополнена дополнительными степенями свободы. Например, в работе [47] при исследовании влияния характеристик шин на движение автомобиля по криволинейной траектории, в дополнение к указанным ранее трем степеням свободы, добавляли еще четыре - смещение зоны контакта относительно плоскости колеса вследствие боковой эластичности шины.

В работе [47] также рассматривается расчетная модель с пятью степенями свободы, в которой в дополнение к трем основным степеням свободы автомобиля и кузова, рассматривается поворот управляемых колес относительно шкворней и поворот рулевого колеса относительно оси рулевого вала.

В литературе [164], [136] встречаются модели с большим учетом числа степеней свободы как подрессоренных, так и не подрессоренных масс. Однако, такое увеличение числа степеней свободы не дает, как правило, положительного эффекта при уточнении параметров движения автомобиля, т.к. анализ уравнений становится более сложным и возрастают погрешности при расчетах. Поэтому в каждом конкретном случае, в зависимости от поставленной задачи, необходимо учитывать минимальное число степеней свободы, оказывающих основное влияние на характер движения автомобиля.

В работе [65а] для исследования реакций автомобиля на управление выбрана его математическая модель с тремя степенями свободы, которая учитывает кинематические связи подрессоренных и неподрессоренных масс автомобиля, а также нелинейные характеристики шин.

При составлении уравнений движения автомобиля начало подвижной системы координат X , Y , Z принято зафиксированным в центре масс автомобиля. Выбранные оси координат, принятые обозначения и положительное направление сил и скоростей показаны на рис. 1.7.

Имеются следующие допущения:

1. Вертикальные перемещения и галопирование отсутствуют (автомобиль движется по гладкой горизонтальной опорной поверхности).2. Продольная скорость движения автомобиля принимается постоянной, вследствие чего рассматривается три степени свободы:

перемещение центра подрессоренных масс в направлении оси Y, поворот относительно вертикальной оси Z, и крен кузова

3. Существует плоскость симметрии автомобиля X-Z.

Выражения для инерционных сил и моментов подрессоренной массы автомобиля, имеющей координаты центра тяжести X,0,Z имеют вид:

ma(Vy + Vxa> + ф-г + со-Х) = У

1хф + maZ(Vy +Vx6> + a>X) = Mx (1.1) Iz0) + maX(Vy + Vxco + ф-г) = М2

Обычно при теоретическом анализе движения автомобиля по криволинейной траектории принимают, что его неподрессоренные массы наклоняются относительно оси, проходящей через условные центры крена передней и задней подвесок. Однако известно, что центр крена подвески не остается неподвижным даже при небольших углах наклона подрессоренных масс автомобиля. В принятой математической модели автомобиль рассматривается как механическая система, элементы которой связаны между собой так, что перемещения подрессоренных масс вызывают вполне определенные перемещения в контакте колеса с опорной поверхностью. Такое математическое описание предложено в работах [82, 83].При исследовании влияния кинематики и жесткости рулевого управления на показатели управляемости автомобиля уравнения движения автомобиля решались совместно с уравнениями движениями рулевого управления.

Анализ существующих работ по исследованию управляемости и устойчивости автомобиля показывает, что в большинстве из них используются математические модели "невысокой размерности", включающие в себя от 3 до

10 дифференциальных уравнений движения [1, 7, 23, 72, 130, 132]. Преимущество таких моделей - компактность, небольшие вычислительные затраты при аналитическом или численном решении. Недостаток - большое количество обобщенных коэффициентов, которые, как правило, являются коэффициентами разложения нелинейных характеристик в ряд Тейлора и для определения которых требуется проведение специальных экспериментальных или расчетных исследований. Тем не менее, такие математические модели составляют основу классических (традиционных) исследований управляемости и устойчивости автомобиля и играют важную роль в процессе проектирования.

Наряду с моделями невысокой размерности в настоящее время интенсивно развиваются методы математического моделирования механических систем, которые позволяют точно описывать движения систем тел связанных произвольным числом различных кинематических пар (шарниров) и другими силовыми элементами. К таким системам относится ряд зарубежных -ADAMS [154], DADS [138] и отечественных - ПРАДИС, ЭЙЛЕР, UM, ФРУНД [30] программных комплексов. Методические вопросы использования таких программ в процессе проектирования еще окончательно не устоялись. Положительная сторона математических моделей, полученных с помощью таких программ - детальная проработка пространственных кинематических схем автомобилей, возможность учета различных нелинейностей силовых характеристик. Отрицательная - достаточно большие вычислительные затраты на численное решение и трудность манипулирования параметрами модели из-за ее громоздкости. Однако содержательность таких детальных компьютерных моделей несомненно выше, чем у традиционных.

К попытке разрешить проблему высокой размерности моделей при решении задачи оптимизации параметров управляемости и устойчивости можно отнести метод двухуровневого описания уравнений движения [7]. В работе рассматривается модель автомобиля состоящая из кузова и четырех не-подрессоренных масс. Кузов обладает шестью степенями свободы, неподрессоренные массы - четырьмя. Кинематические свойства подвески задаются интерполяционными многочленами. При оптимизации определяются параметры таких интерполяционных многочленов, на основании чего на втором этапе синтезируется геометрия подвески. При безусловных преимуществах такого метода ему присущи и недостатки - необходимость создания математической модели для синтеза кинематики, для чего в [7] использовалась приближенная геометрическая модель, не учитывающая податливость сайлент блоков.

Для возможности моделирования управляемости и устойчивости автомобиля в компьютерные модели вводятся описания специфических взаимодействий, например, описание боковых сил в катящейся с уводом шине [155].

В целом, при использовании высокоразмерных компьютерных моделей для анализа управляемости и устойчивости, наряду с введением в универсальные комплексы специальных взаимодействий типа шина - дорога, необходима проработка ряда следующих вопросов:

-в частности, модели высокой размерности не допускают рассмотрения стационарных режимов движения автомобиля путем сведения к системе алгебраических уравнений, как это зачастую допускается в классических моделях, что требует введения в модель дополнительных контуров управления, обеспечивающих расчет стационарных режимов;

- компьютерная пространственная модель одновременно может служить для расчета динамических и кинематических параметров автомобиля, поэтому блоки моделирования специальных взаимодействий должны обеспечивать численное решение при различных начальных условиях;

- важным фактором, сдерживающим использование компьютерных моделей, можно считать неотработанность форм представления результатов расчетов. В этом плане целесообразна разработка методик построения интегральных показателей, имеющих высокую степень информативности, позволяющих снизить суммарные вычислительные затраты на моделирование.

Как уже было отмечено выше, все классические модели для исследования управляемости автомобиля включают в себя большое число приведенных коэффициентов - обобщенных параметров, которые достаточно трудно определить без проведения эксперимента, например, кинематические свойства подвесок. Поэтому одно из возможных применений компьютерных моделей - определение таких обобщенных параметров

Показатели управляемости и устойчивости автомобиля, в значительной степени зависят от характеристик шин автомобиля, что требует особого внимания к описанию явлений, возникающих при качении колеса с уводом в условиях переменных вертикальных реакций. Поэтому всякое теоретическое изучение движения автомобиля должно сопровождаться их достоверным описанием. Имеется достаточное разнообразие моделей шин, описывающих их силовые характеристики. В работах [78,132,167,168,169,170] приводится ряд аналитических моделей для описания поведения шины при действии увода и вертикальных реакций. Простейший класс моделей характеризуется использованием свойств натянутой струны или балки на упругом основании .

Более сложный класс, основанный на идее Рейнольдса о наличие в пятне контакта зон сцепления и скольжения. Во всех моделях содержится большое количество допущений и коэффициентов, что может вносить существенные погрешности в определение характеристик шин. Некоторые авторы [65а,78] используют при исследовании управляемого движения автомобиля характеристики шин, полученные экспериментальным путем в лабораторных или дорожных условиях

Особого внимания заслуживает модель шины, представленная в работе [5].Эта модель описывает реакции эластичного колеса, связанные только с уводом. Вместе с тем, принято во внимание значительное число параметров, оказывающих влияние на моделирование процесса качения колеса. Основное описание представлено в виде:

S = MA) + Sck Ry=f2(S,'S)S'

где: Ry =kyS

Статические показатели управляемости и устойчивости автомобиля определяются по результатам исследования установившегося кругового движения. Число этих традиционных показателей весьма велико, что приводит к значительному разбросу при сравнительной оценке управляемости и устойчивости различных автомобилей. Большая часть этих показателей формулируется в стандартах ISO 7401,ISO 4138 и ОН 025.319-68.В работах [171-173] приводится метод прямой оценки силовых реакций автомобиля (в контакте колес с опорной поверхностью) на управляющие воздействия и внешние возмущения.

Внешние границы диаграммы отражают насыщение силовых реакций и соответствуют предельным по сцеплению свойствам шин. Нанесенные внутри диаграммы линии равных углов поворота управляемых колес 8 и линии равных углов дрейфа /3 позволяют вычислить ряд показателей управляемости и устойчивости, включая традиционные и нетрадиционные описания. Их вычисление связано с рассмотрением совокупности равновесных состояний автомобиля и ведется по точкам С^-Ау диаграммы, лежащим на оси Ау (См=0). Дальнейшее развитие эти диаграммы получили в работе С.В.Бахмутова [7], что сделало их весьма привлекательными для оценки показателей управляемости и устойчивости автомобиля при теоретических исследованиях.

Анализ работ, посвященных развитию теории управляемости и устойчивости автомобиля и определению влияния конструктивных систем автомобиля на параметры его движения, позволяет сделать следующие выводы:

1. Существуют два подхода к исследованию управляемости и устойчивости автомобиля - теоретический и экспериментальный. Теоретический метод не дает возможности полного и точного описания всех составляющих систем автомобиля и их взаимодействия, откуда небольшая область адекватности при сопоставлении с результатами натурных испытаний. Экспериментальный метод обладает высокой степенью достоверности определения характеристик конструктивных систем и параметров движения автомобиля. Однако, для реализации этого метода требуются большие временные и материальные затраты.2. Нет единой методики выбора рациональной кинематики рулевого привода с учетом его упругости и взаимодействия с основными конструктивными системами автомобиля.3. Нет достаточной экспериментальной базы и методик для определения характеристик конструктивных систем автомобиля и параметров его движения с целью введения этих характеристик в соответствующие описания автомобиля и установления области адекватности теоретических расчетов .4. Не решена проблема прогнозирования износа шин с учетом влияния конструктивных факторов при движении автомобиля и связи показателей управляемости с износом.5. Не исследовано влияние дорожного микропрофиля на характер управляемого движения.6. Не исследовано влияние некоторых видов аэродинамических воздействий на показатели управляемости и устойчивости автомобиля.

автомобиль шина подвеска управляемость

Лабораторные исследования автомобиля и шин

Лабораторные исследования проводились для определения характеристик конструктивных систем автомобилей, необходимых для определения адекватности выполнения теоретических исследований и коррекции некоторых параметров. С целью получения этих характеристик в процессе работы над диссертацией были разработано специальное оборудование, аппаратура и методики. Также использовалось стандартное оборудование.

Объектами лабораторных исследований являлись серийные заднеприводные ( объект 1 с массой 120 кг. и объект 2- с массой 900 кг.) и переднеприводные автомобили малого класса.

Определение основных характеристик исследуемых автомобилей. Соотношение углов поворота управляемых колес определялось на оптическом стенде "Экзакта" в лаборатории "Автомобили" МАМИ. При этом задавался угол поворота внутреннего колеса (по отношению к предполагаемому центру поворота), и фиксировался получаемый угол поворота наружного колеса.

Характеристика угловой жесткости па линейном участке

Координаты центра масс автомобиля устанавливались взвешиванием в горизонтальном и наклонном положениях. Для нахождения координат центра масс относительно передней и задней осей определялись вертикальные нагрузки на соответствующие оси при горизонтальном положении автомобиля. Высота центра масс над опорной поверхностью определялись после взвешивания автомобиля в наклонном состоянии.

Моменты инерции автомобиля и его подрессоренной массы определялись способом качении на платформе с малым трением в узлах подвеса по методике, описанной в работе [19].

Характеристики амортизаторов получены по данным исследований, проведенных в лаборатории подвески НАМИ.

Коэффициенты поворота колес, изменения наклона колес, изменения колеи и угла поворота задней оси при крене и вертикальных перемещениях кузова определялись графическим способом, а также и по данным ОГК АЗЛК.

Передаточные числа рулевого управления и зависимости их изменения при повороте рулевого колеса в случае крена кузова автомобиля. определялись экспериментально. С этой целью кузову автомобиля сообщались перемещения, соответствующие определенной величине крена. Одновременно с помощью оптического стенда фиксировались углы поворота управляемых колес, а по шкале, закрепленной на рулевой колонке, устанавливался угол поворота рулевого колеса.

Величина трения находилась по следующей методике: передние колеса автомобиля устанавливались на поворотные площадки "Бендикс", обладающих малым собственным трением.

Предварительно были определены величины трения в площадках. Момент трения в рулевом управлении определялся по следующей формуле:

МТР = {МРК -МГРПЛ -MZ)-tj

Размещено на Allbest.ru