Содержание
1. Передвижная лаборатория дорожныхиспытаний АТС на базе ГАЗ-2705
1.1 Компоновка передвижнойлаборатории
1.2 Электрические схемы основнойизмерительной аппаратуры
2. Результаты ездовых испытанийпередвижной лаборатории на полигоне ГУП «НИЦИАМТ»
3. Оценка параметров устойчивости иуправляемости АТС в стендовых условиях
Выводы и рекомендации
Библиографический список
1. Передвижная лаборатория дорожныхиспытаний АТС на базе ГАЗ-2705
1.1 Компоновка передвижнойлаборатории
В салоне автомобиля (рис. 1)расположено 9 рабочих мест, оснащенных контрольно-регистрирующей аппаратурой,пультами управления и настройкой измерительных устройств.
Измерительная аппаратура позволяетдискретно регистрировать тормозной путь, а непрерывно — параметры в соответствиис таблицей 1.
Комплекс датчиков и регистрирующаяаппаратура представлена на рисунке 2.
Совокупность измеряемых параметров, атакже возможность наращивания измерительного оборудования, позволяетиспользовать передвижную лабораторию в учебном процессе и научныхисследованиях.
/>
Рис. 1. Передвижная лабораториядорожных испытаний
Таблица 1 Основные показатели ихарактеристики, определяемые в ходе испытаний передвижной лаборатории
Тягово-скоростные
свойства Тормозные свойства
Топливная
экономичность
Управляемость
и устойчивость Маневренность
время разгона
путь разгона
скорость автомобиля
ускорение автомобиля
время торможения
путь торможения
скорость автомобиля
замедление
давление в т/приводе
нагрузка на оси
часовой расход топлива
путевой расход топлива
скорость автомобиля
скорость автомобиля
угловая скорость поворота
время операции
курсовой угол
угол крена
угол поворота РК
угол поворота УК
скорость автомобиля
угловая скорость поворота
угол поворота РК
угол поворота УК
/>
Время разгона до
заданной скорости Тормозной путь Часовой расход топлива Угловая скорость поворота рулевого колеса Минимальный радиус поворота
Время разгона на
заданной дистанции
Установившееся
замедление Контрольный расход топлива Характеристика статической траекторной управляемости Ширина полосы движения по следу колес
Ускорения при разгоне (максимальные и
средние)
Время
срабатывания
тормозных
систем РТМЦ Чувствительность к управляющему воздействию Габаритная ширина поворота Скоростная характеристика разгон – выбег РТГЦд
Угол
крена Внешний габаритный радиус поворота Длина динамически преодолеваемого подъема
Топливная
характеристика
установившего
движения Удельная тяговая сила необходимая для совершения поворота Установившаяся скорость на затяжных подъемах Коэффициент использования сцепной силы колес при повороте
/>
Рис. 2. Схема размещенияизмерительного оборудования в передвижной лаборатории на базе автомобиля ГАЗ-2705
Датчик положения дроссельнойзаслонки.
2. Датчик давления втормозном приводе.
3. Расходомертоплива.
4. Датчик положениярулевого колеса и датчик момента на рулевом колесе.
5. Потенциометрыуглов поворота управляемых колес.
6. Датчикпродольного и поперечного ускорения.
7. Самописец.
8. Датчикинормальной нагрузки на ось.
9. Гироскоп угловкрена и продольного наклона кузова.
10. Гироскоп угловойскорости автомобиля.
11. Пиротехническоеустройство.
12. Устройство «пятоеколесо» (тахогенератор и геркон)
1.2 Электрические схемы основнойизмерительной аппаратуры
передвижная лабораториядорожный испытание
Измерение и регистрация времени
Исследуемые параметры автомобиляявляются функциями времени. Поэтому их запись производится в реальном времени сотметкой его на ленте регистратора. Кроме того, время измеряется с помощью электрических,суммирующих приборов.
Для измерения и регистрации временипри динамических и топливно-экономических испытаниях автомобиля ГАЗ 2705использованы электроконтактные часы МЧ-62 (датчик меток времени), импульсныесчетчики (суммирующие приборы), отметчики времени (самописец).
/>
Рис. 3. Электроконтактные часы МЧ-62
1. Электродвигатель7. Контакты прерывателя
2. Шестеренчатыередукторы8. Импульсный счетчик
3. Малая стрелка9. Электромагнитный отметчик
4. Большаястрелка10. Шкала часов
5. Кулачки11.Выключатель
6. Контактыпрерывателя12. Конденсаторы
Схема, которая показана на рисунке 3,позволяет наносить отметки времени на ленту самописца через 0,1с и измерятьвремя с помощью импульсного счетчика с точностью 1с.
Принцип действия:
Электродвигатель 1 часов, числооборотов которого стабилизировано центробежным регулятором, через шестеренчатыередукторы 2 вращает малую 3 и большую 4 стрелки часов и кулачки 5, которые своимивыступами замыкают контакты прерывателей 6 и 7. Скорости вращения стрелок икулачков подобраны так, что большая стрелка 4 делает один оборот за 5с, а малая3 — за 50с. Прерыватели 6 и 7 замыкают свои контакты соответственно через 1,0 и 0,1с., то есть с частотой 1 и 10 Гц.
При замыкании контактов выключателя 11электродвигатель 1 включается в цепь питания, в результате чего якорьэлектродвигателя и кулачки 5 начинают вращаться, замыкая с указанными частотамиконтакты прерывателей 6 и 7, которые подают напряжение питания на базутранзистора Тр через сопротивление R1. В результатетранзистор открывается и на обмотку электромагнитного счетчика подаетсянапряжение тем самым, включая с помощью электронного реле импульсный счетчик.
Конденсаторы 12 при этом уменьшаютобгорание контактов прерывателей 6 и 7. Импульсные счетчики времени включаютвыключатели, расположенные на самих счетчиках.
Для четкого срабатывания импульсногосчетчика применяется усилитель постоянного тока на базе транзистора КТ – 829 сбольшим коэффициентом усиления, что позволяет облегчить режим работы контактнойгруппы часов МЧ-62. Сопротивление R1используется для установки режима работы транзистора, а диод Д применяется дляшунтирования обратных выбросов напряжения на электрических обмоткахэлектромагнита счетчика, которые могут привести к выходу из строя транзистора.
Отметка времени на лентерегистрирующего прибора выглядит в виде прямоугольных импульсов, наносимыхчерез 0,1с.
Измерение тормозного пути
Для измерения тормозного путиавтомобиля применяется специальный отметчик начала торможения (рис. 4).
Для поджига порохового зарядамелового отметчика начала торможения используется стандартный блоквоспламенения горючей смеси предпускового подогревателя.
Напряжение с автомобильной батареиподается через предохранитель 2, выключатель сигнала торможения 3, включатель 5на первичную обмотку катушки высокого напряжения 7 и транзистор Тр блокинг- генератора.Блок преобразовывает напряжение 12 В АКБ в переменное высоковольтноенапряжение, которое подается на свечу зажигания 8 пистолета 9. СтабилитроныСТ1, СТ2 и конденсатор С1 служит для защиты транзистора Тр от перенапряженийвозникающих при работе генератора.
Принцип действия
При движении автомобиля с постоянной,определенной скоростью перед самым началом торможения включается тумблер 5.При нажатии на педаль тормоза срабатывает выключатель торможения 3 ипроисходит выстрел, а на дороге остается меловое пятно. Расстояние от меловогопятна до пистолета на остановившемся автомобиле является тормозным путем.
/>
Рис. 4. Принципиальная схемаотметчика начала торможений 1 –АКБ4; 2 – предохранитель; 3 — выключательсигнала торможения; 4 — педаль тормозная; 5 – выключатель; 6 — сигнальнаялампочка; 7 — катушка зажигания; 8 – свеча; 9 — пистолет-отметчик
Измерение продольных и поперечныхускорений
Измерения производятся акселерометромтипа МП-95 (рис. 5).
Конструктивно акселерометрпредставляет собой инерционную массу подвешенную на пружинах в горизонтальнойплоскости. Непосредственно на подвижном элементе смонтирован потенциометр. Привозникновении перегрузок инерционная масса смещается, преодолевая сопротивлениепружин. Амплитуда перемещения инерционной массы пропорциональна величинедействующего ускорения, которое регистрируется по величине электрическогосигнала, снимаемого с потенциометра.
Для измерения величины электрическогосигнала используется измерительная мостовая схема (рис. 6). Переменныерезисторы Rд и RБ являются соответственно датчиком ибалансировочным сопротивлением. Резисторы R1,R2,R3,R4 дополнительные сопротивления,исключающие выход из строя прибора или обгорание контактов потенциометров. Выходнойсигнал снимается с движков датчика и балансировочного резистора и подается наамплитудный регулятор RА
/>
Рис. 5. Акселерометр МП-95 и гироскопГР
/>
Рис. 6 Измерительная схемаакселерометра: RД – 1,4 кОмR1 – 750ОмРП — регистрируемый прибор, RБ – 470 кОмR2 – 1,1 кОмМА – измерительный прибор, RА – 22 кОмR3 – 1,1 кОмRш – шунтирующее сопротивление, R4 – 750 ОмRм – масштабное сопротивление, R5- 9,1 кОм
В статическом положении, когда движокдатчика находится на средине, измерительный мост должен находится в равновесномсостоянии, а стрелка измерительного прибора на «нуле». В противном случаепроизвести корректировку переменным балансировочным сопротивлением RБ.
Смещение движка датчика создастдисбаланс схемы, таким образом, мост выйдет из равновесного состояния, чтобудет отмечено стрелочным измерительным прибором. Корректировка максимальнойамплитуды отклонения стрелки измерительного прибора осуществляется резисторами RА и R5. С помощью переключателя можноподключать схему к дополнительным стрелочным приборам или регистрирующемуприбору.
Для уменьшения погрешностей прирегистрации показаний необходимо, чтобы полное сопротивление отключаемыхстрелочных приборов было одинаковым с общим сопротивлением электрической цепирегистрирующего прибора. В случае не соответствия, произвести корректировкусопротивлениями RШ, RМ.
При измерении продольных илипоперечных ускорений может быть использован один и тот же датчик, но повернутыйв горизонтальной плоскости на 90°. Следует учесть, что при измерении поперечныхускорений акселерометр должен находится в центре масс.
Измерение скорости автомобиля
Скорость движения автомобиляизмеряется с помощью тахогенератора переменного тока (рис. 7). Тахогенераторпредставляет собой статор с тремя соединенными в треугольник обмотками, внутрикоторого в подшипниках крышек может вращаться ротор. Тахогенератор установленна фланце поворотного кронштейна «пятого» колеса. Ось ротора тахогенераторасвязана с осью «пятого» колеса через штифтовое соединение.
В результате вращения ротора прикачении «пятого» колеса в обмотках статора наводится ЭДС прямо пропорциональноугловой скорости ротора и сдвинутые по фазе на угол 120°. Так как радиус«пятого» колеса практически является величиной постоянной, то тахогенераторможно использовать как датчик линейной скорости центра «пятого» колеса, а,следовательно, и самого автомобиля.
Принцип действия
Сигнал с трехфазного тахогенераторапеременного тока подается на двух-полупериодный выпрямитель составленный изшести полупроводниковых диодов.
В схеме предусмотрена регулировкаамплитуды выходного сигнала. Для этого выход выпрямителя тахогенераторанагружен переменным резистором.
/>
Рис. 7. Электрическая измерительнаясхема: Д1 – Д2- Д 226В П – переключатель, R1; R2; R3; — 4.3 кОм Rш – шунтирующее сопротивление, С1;С2; С3; — 1000х25v Rм – масштабное сопротивление
Выходной сигнал снимается с одной изкрайних точек потенциометра и его движка.
Визуальный контроль скорости движенияпроизводится с помощью микроамперметра (стрелочный прибор). Необходимаямаксимальная амплитуда сигнала скорости регулируется при тарировке датчика. Этутарировку периодически надо проверять, поскольку возможно случайное смещениедвижка потенциометра амплитудного регулятора из-за вибрации в автомобиле.Отклонение стрелки микроамперметра протарировано в км/ч.
Регистрирующий прибор – это измерительныймеханизм самописца, пишущее устройство, которое вычерчивает на бумажной лентекривую изменения скорости автомобиля, развернутую во времени. Переключательслужит для перехода с визуального контроля на регистрирующий прибор.Измерение пройденного пути автомобиля
Путь, пройденный автомобилем,измеряется не непосредственно, а путем пересчета по известному числу оборотов«пятого» колеса и его радиусу качения. Обороты прицепного, измерительногоколеса фиксирует датчик, который замыкает измерительную электрическую цепь двараза за один оборот колеса. В качестве датчика использован геркон типа КЭМ –ЗА, установленный непосредственно в корпусе тахогенератора (рис. 8).
Для регистрации оборотов «пятого»колеса используется импульсный электрический счетчик (суммирующие приборы). Длячеткого срабатывания импульсного счетчика применяется усилитель постоянноготока на базе транзистора КТ – 829, что позволяет облегчить режим работыконтактной группы геркона.
/>
Рис. 8. Электрическая схема каналарегистрации импульсов пути, R1 – 3 ком Тр – кт 829 А, Д1 – Д 226 Б Сл – сигнальнаялампа, С1; С2; С3 – счетчики импульсов Рп – регистрирующий прибор, Rш – шунтирующее сопротивление Rм – масштабное сопротивление
Принцип действия:
Напряжение постоянного тока /> В черезтумблер Вк1 подается на усилитель сигнала. О включении питаниясигнализирует индикаторная лампа СЛ.
Поворот «пятого» колеса вызываетповорот магнитного поля ротора тахогенератора, что способствует замыканию иразмыканию контактов геркона. В момент замыкания контактов транзисторзакрывается и прерывает питание катушки электромагнитного счетчика С1.При размыкании контактов ток течет через резистор R1 и базовый переход транзистора Тр1 в результатечего транзистор открывается и подает питание на обмотку электромагнитногосчетчика С1.
Диод Д применяется для шунтированияобратных выбросов напряжения на электрических обмотках счетчика, которые могутпривести к выходу из строя транзистора. При вращении «пятого» колеса циклывключения и выключения повторяются. Счетчик регистрирует число циклов.
Расчет пройденного пути ведется поформуле:
S=L×nк,
где S — пройденный путь;
L — путь пройденный за один оборот«пятого» колеса;
n к — число оборотов «пятого» колеса.
Значение L определяется по формуле:
L=2×p×rк,
где rк — радиус«пятого» колеса.
Значение nк определяется по формуле:
nк=z/2,
где z — количество импульсов зарегистрированных электромагнитнымсчетчиком пройденного пути.
Примечание: В случае регистрацииимпульсов гальванометром самописца необходимо чтобы полное сопротивлениеэлектрической цепи гальванометра самописца соответствовало сопротивлению преждевключенных приборов. Подбор сопротивления производится сопротивлениями Rш и Rм.
Запись меток пути имеет на лентесамописца вид прямоугольных импульсов, наносимых два раза за один оборот «пятого»колеса.
Питание измерительных цепей
Стабилизатор напряжения автоматическиподдерживает напряжение на стороне потребителя с заданной точностью, так каквозникает дестабилизирующие факторы, вызывающие изменение напряжения (рис. 9).
Изменение выходного напряженияобусловлено:
1. Нестабильностьюпитающей цепи;
2. Изменением токапотребляемой нагрузки;
3. Изменениемтемпературы окружающей среды./> />
Рис. 9. Схема стабилизаторанапряжения 9v для питания измерительных цепей
Применяемый тип стабилизатора, вслучае установки его на радиатор охлаждения, обеспечивает стабилизированный токдо 1,5 А согласно техническим условиям на стабилизаторы данного типа.
Описанный комплекс обхватываетлабораторные циклы всех специальностей, связанных с движением АТС.
2. Результаты ездовых испытанийпередвижной лаборатории на полигоне ГУП «НИЦИАМТ»
Комплекс дорожных испытанийпроводился под руководством автора на автополигоне ГУП«Научно-исследовательский центр по испытаниям и доводке автомототехники»(НИЦИАМТ) РФ в апреле 2004 года (г. Дмитров). Целью проведения испытанийявлялась оценка влияния изменения технического состояния АТС в эксплуатации напоказатели основных эксплуатационных свойств, определяющих безопасность дорожногодвижения на примере маршрутного такси «Газель» в штатных и нештатных режимахдвижения. Объектом испытания стала научно-исследовательская учебная лабораторияна базе автомобиля ГАЗ-2705 (рис. 10).
/>
Рис. 10.Научно-исследовательская учебная лаборатория на базе автомобиля ГАЗ-2705 виспытании «переставка»
Для определения параметров движенияданное АТС было оборудовано двумя комплексами специальнойизмерительно-регистрирующей аппаратуры.
Первый комплекс разработан на кафедре«Автосервис, организация и безопасность движения» ЮРГУЭС под научнымруководством зав. кафедрой к.т.н. Русакова В.З., преподавателями кафедрыЮршиным Ю.Г., Шеметом Б.И. и Бондаревым И.В. совместно с научными консультантамиМАДИ (ГТУ) д.т.н. Рябчинским А.И., д.т.н. Юрчевским А.А. и к.т.н. ДодоновымБ.М. Он представляет собой комплект приборов и датчиков, согласованных дляобработки с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) сигналов ирегистрируемых с помощью портативного персонального компьютера (ПК) (рис. 11).Инженером Сивоконь В.К. разработан уникальный блок питания первого комплекса.
/>
Рис. 11.Измерительно-регистрирующий комплекс ЮРГУЭС
Второй комплекс разработан ГУП НПО«Спецтехника и связь» МВД РФ для регистрации параметров движения (УРПД), т.н.«черный ящик» автомобиля (рис. 12).
/>
Рис. 12. Автомобильный «черный ящик»(УРПД)
Для регистрации углов поворотарулевого колеса (РК) и управляемых колес (УК) применяются поворотные датчикипотенциометрического типа первого комплекса с линейной характеристикой (рис.13). При этом УРПД второго комплекса фиксирует факт поворота РК на угол более 5° в какую-либо сторону от нейтральногоположения.
Измерение продольных и поперечныхускорений первым комплексом производится акселерометрами типа ПЛ-95 (рис. 14).В УРПД второго комплекса регистрация этих параметров осуществляется по тремкоординатным осям собственными датчиками.
Значения курсового угла, продольногои поперечного крена регистрируются с помощью гироскопов. Угловая скорость автомобиляизмеряется прибором ДУС-6 (рис. 15).
/>
Рис. 13. Датчики углов поворота: а — РК; б – УК
/>
Рис. 14. Акселерометры продольных ипоперечных ускорений
Для определения линейной скорости ипройденного пути используется пятое колесо с тахометрическим датчиком первогокомплекса, а также электромагнитным датчиком УРПД второго комплекса, установленнымна вал привода троса спидометра.
Аналоговые сигналы перечисленныхдатчиков поступают на вход АЦП, обрабатываются, после чего регистрируютсяпортативным ПК. Используемый в данном комплексе АЦП (модуль Е-140) являетсямногоканальным 14-ти разрядным устройством, позволяющим работать одновременно с16-ю дифференциальными или 32-мя каналами с общей землей. В целях проводимыхисследований нами используются 14 дифференциальных каналов. Каждый изаналоговых каналов подключается к АЦП через программно управляемый аттенюатор,позволяющий задавать один из четырех диапазонов измерения напряжений.
Модуль Е-140 обеспечивает непрерывныйсбор данных на частотах дискретизации АЦП от 0,122 до 100,00 кГц. Малыегабариты модуля и использование широко распространенного в последнее времяинтерфейса USB делают модуль Е-140 удобным дляорганизации дорожных испытаний, требующих высокую степень мобильности.
/>/>
Рис. 15. Гироскопы: а — курсового угла,продольного и поперечного крена; б — угловой скорости автомобиля
Совместно с АЦП для регистрациицифровых сигналов параметров движения используется портативный ПК спредустановленным программным обеспечением (ПО) «PowerGraph 3.1 Professional», позволяющим вести непрерывнуюзапись в режиме реального времени сколь угодно долгий период времени(ограниченный только ресурсами вычислительной системы ПК). ПО «PowerGraph»позволяет использовать персональный компьютер в качестве стандартныхизмерительных и регистрирующих приборов (вольтметры, самописцы, осциллографы,спектроанализаторы и т.д.).
Отличительными функциональнымивозможностями данного ПО являются:
- предварительныймониторинг входных сигналов;
- независимаянастройка и калибровка каналов;
- поддержка любыхскоростей записи;
- эффективнаясистема графического представления больших объемов данных;
- выборпроизвольного набора каналов для отображения;
- свободноепозиционирование и масштабирование графиков;
- определениепараметров сигналов по графикам с помощью скользящих маркеров;
- построениеграфиков зависимости одного канала от другого;
- построениегистограмм распределения сигналов по амплитуде;
- библиотекастатистических и информационных функций анализа данных и др.
Характерной чертой применения ПК и ПОявляется возможность автоматической регистрации временных интервалов.
УРПД второго комплекса обрабатывает исохраняет регистрируемые параметры на собственное ПЗУ в течение восьми часов,при этом более старые данные перезаписываются. Таким образом, в любой моментвремени имеется возможность получить параметры движения АТС за последние восемьчасов. При необходимости регистрации больших периодов времени движенияпредусмотрено использование съемных носителей информации. Информация о режиме ипараметрах движения АТС, записанная таким образом, в дальнейшем может бытьперенесена на ПК для расшифровки и детализации проведенных измерений.
Программаиспытаний передвижной лаборатории включала следующие режимы движения:
1. Управляемоепрямолинейное движение для оценки: интенсивности управления и шириныдинамического коридора. То же – с торможением для оценки ширины динамическогокоридора.
2. Импульсноесиловое воздействие на управляемые колеса от неровности дороги для оценкитраекторной устойчивости в коридоре движения.
3. Стабилизация(бросок руля) — определение стандартных показателей.
4. Маневр (конечнаяцель — оценка запаздывания рулевого управления):
4.1.Ступенчатый поворот рулевого колеса (рывок руля).
4.2. Входв поворот / отворот от препятствия.
4.3.Переставка / объезд неподвижного препятствия.
4.4.Движение по змейке.
Во всехслучаях пункта 4 оценка стандартных показателей.
5. Маневр сторможением.
5.1.Переставка / объезд неподвижного препятствия.
5.2. Входв поворот / отворот от препятствия.
В этихслучаях оценка отклонения от эталона – нового автомобиля.
Конечнойцелью испытаний являлась оценка влияния факторов эксплуатации, исследуемых вэтих режимах:
1. Люфт рулевогоколеса – 10, 20 и 30 градусов (задается регулировкой рулевого механизма).
2. Изменениежесткости (упругости) рулевого привода путем замены элементов рулевого приводана изношенные (до аварийного состояния) шарниров рулевых тяг и др.
3. Установкагидроусилителя руля для оценки его влияния на вышеперечисленные параметры.
В заездахоценивалось сочетание упомянутых факторов. Основное внимание в испытанияхуделено эксперименту «переставка», в котором доходили до предела по сцеплению.Заезды проводились несколькими специально подготовленными водителями длявозможности экспертных оценок.
В период испытанийпогодно-климатические условия позволили выполнить заезды как на сухом, так и намокром дорожном покрытии. Это позволило оценить влияние состояния дороги наупомянутые параметры эксплуатационных свойств (рис. 16).
/>
Рис. 16 Отрыв колесав маневре «переставка» на мокром покрытии
Учитывая важность с позициибезопасности дорожного движения экспериментально определялось времязапаздывания рулевого управления. Записи углов поворота рулевого и отдельнолевого и правого управляемых колес позволили для условий нештатного(критического) режима движения определить это время: левое УК – 0,15 с, правоеУК – 0,25 с (рис. 17).
/>
/>
Рис. 17. Экспериментальные зависимости угловповорота рулевого и управляемых колес от времени в маневре «переставка» насухом покрытии
Особым результатом для проверкиадекватности математических моделей курсового движения автомобиля служат записиуглов поворота вокруг его вертикальной оси, а также продольных и поперечныхускорений, позволивших оценить динамику автомобиля в режиме «переставка» (рис.18).
/>
/>
Рис. 18 Экспериментальныезависимости угловой скорости, продольного и поперечного ускорений автомобиля в«переставке» на сухом покрытии
В маневре «рывок руля»экспериментальные зависимости углов поворота рулевого колеса, угловой скоростии поперечного ускорения автомобиля показали характер их изменений для условийотрыва колеса от дорожного покрытия (рис. 19).
/>
/>
Рис. 19.Экспериментальные зависимости изменения угла поворота рулевого колеса, угловойскорости и поперечного ускорения автомобиля в маневре «рывок руля» на сухомпокрытии
В маневре «стабилизация» (бросокруля) при движении по кругу радиусом 35 м сравнивались результаты изменения углов поворота рулевого колеса, угловой скорости и поперечного ускоренияавтомобиля при выходе из круга как влево, так и вправо (рис. 20).
/>
Рис. 20. Экспериментальныезависимости изменения угла поворота рулевого колеса, угловой скорости ипоперечного ускорения автомобиля в маневре «стабилизация» на сухом покрытии
В заключении следует отметить, чтонабранная база экспериментальных данных уникальных совместных испытанийпозволяет использовать результаты в целях как совершенствования «черного» ящика(данные испытаний расшифровываются), так и проверки адекватности моделейкурсового движения.
Для учебного процесса снятыуникальные видеофильмы упомянутых маневров, опрокидывания автомобиля на стендеи др., а также приобретен преподавателями ВУЗов ценный опыт ездовых испытанийавтомобилей.
3. Оценка параметров устойчивости иуправляемости АТС в стендовых условиях
Устойчивость и управляемость АТС взначительной степени определяют активную безопасность автотранспортных средств(АТС) и, следовательно, общий уровень безопасности дорожного движения (БДД). Внастоящее время международные и национальные стандарты как на требования АТС,так и на методы испытаний этих свойств недостаточно гармонизированы, чтообъясняется как сложностью регламентации всех параметров системы ВАДС (особенноводителя — испытателя), так и недостаточным метрологическим обеспечениемтехнологии испытаний.
Кроме того, испытаниям подвергаютсятолько новые автомобили, в то время как очевидно, что в процессе эксплуатацииАТС в рулевом приводе и переднем мосте происходят выработки узлов и сопряжений,приводящие к возникновению повышенного свободного хода рулевого колена (РК),снижая большинство параметров устойчивости и упругости АТС.
Оценка этого снижения и его влиянияна основные показатели БДД чрезвычайно важная проблема, решить которую внекоторой степени можно путем проведения стендовых испытаний АТС надинамических полноопорных стендах с беговыми барабанами.
Эта уверенность основывается наследующих соображениях. Основные параметры устойчивости и управляемости АТС,такие как изменение курсового угла, характеристики подруливания и легкости управления,наличие зон нечувствительности и запаздывания рулевого управления, однозначносвязаны с такими показателями, как боковая сила в пятне контакта управляемыхколес с дорожной поверхностью, усилие на рулевом колесе и свободный ходрулевого колеса.
Значения этих показателей в настоящеевремя доступны к измерению при проведении стендовых испытаний. И в этом аспектеосновной проблемой уже является обеспечение адекватности списываемых со стендапоказателей их аналогам, измеряемым при дорожных ходовых испытаниях.
В связи с предыдущим замечаниемпредставляется очень важным для дальнейших исследований правильный выбор типадинамического стенда. Все динамические стенды для контроля технического состоянияпереднего моста и рулевого управления (РУ) можно разделить на 2 группы. Спомощью первой группы стендов судят о техническом состоянии этих систем повеличине бокового усилия в контакте колеса и измерительного элемента. С помощьювторой — непосредственно замеряют положение плоскости качения колесаотносительно плоскости симметрии автомобиля.
Обе группы стендов могут бытьподразделены с учетом геометрии опорных устройств, типа воспринимающегоустройства и конструктивного исполнения. Оценку и выбор стенда изклассификационной номенклатуры проводим по методике, разработанной С.С. Селивановым.В качестве критериев оценки были приняты следующие показатели:
- информативность, которая определяется количеством сведений о структурных параметрах узла или агрегата;
- соответствиеусловий контроля условиям эксплуатации;
- обеспечениеавтостабилизации колес на стенде;
- возможность,безопасность и удобство проведения регулировочных работ на стенде;
- возможностьдиагностирования других узлов автомобиля на стенде;
- трудоемкостьдиагностических операций;
- стабильность идостоверность показаний стенда;
- стоимость стенда;
- надежность идолговечность стенда.
Проведенная оценка по данной методикепоказала, что наибольшее количество баллов имеют диагностические роликовыестенды с одним или двумя роликами». На втором месте стоят стенды своспринимающим боковые нагрузки одним из двух опорных барабанов. Отставание вбаллах этих стендов от роликовых обусловлено только по показателю информативности,так как они не дают возможности прямого измерения углов развала и схожденияуправляемых колес.
Однако применение дополнительногоустройства, представляющего собой воспринимающий треножник, рамки которогоприжимаются к боковине вращающегося колеса, нивелирует указанный недостаток и дажевыводит данный тип стендов в наиболее приемлемые для указанных исследований.
Таким образом, исследования снижениянекоторых параметров устойчивости и управляемости АТС будем проводить науниверсальном динамическом стенде (рис. 21), разрабатываемом на кафедре АСОиБД,(А.С.) за основу механической части которого взят стенд разработки А.А.Филимонова с конструктивными изменениями передней секции.
Колеса передней оси приводятся вовращение передними беговыми барабанами посредством асинхронного электродвигателя.Кроме того, имеется возможность привода от двигателя автомобиля как переднеприводного,так и заднеприводного, через цепную передачу между барабанами передней и заднейсекций.
Другой немаловажной особенностьюданного стенда является возможность самоориентации автомобиля, имеющегонепараллельность возможного расположения осей передних и задних колес ибарабанов стенда. Без подобной самоориентации измеренные боковые силы на переднихуправляемых колесах неизбежно будут содержать компоненту, вызванную даннойнепараллельностью, что осложнит адекватную интерпретацию данных сил для анализаи оценки параметров согласно целей исследования.
/>
Рис. 21. Схема универсальногодиагностического стенда
На данном стенде эта задача решенаиспользованием силового метода ориентации автомобиля на стенде, разработанномА. Филимоновым. В его основу положено силовое равновесие колес в поперечномнаправлении в процессе качения по свободно вращающимся барабанам. Ось ведущихнеуправляемых колес всегда перпендикулярна направлению прямолинейного движенияавтомобиля. Это можно использовать для точнойориентации автомобиля на стенде при условии, что ведущие колеса установлены набарабанах, оси которых строго параллельны по-перечной оси стенда.
Далее ведущие колеса прокручивают этибарабаны, и в результате взаимодействия сил, возникающих в местах контактароликов и колес, ведущая ось автоматически при прокрутке занимает положение настенде, соответствующее прямолинейному движению АТС.
Управляемые же колеса устанавливаютсяв нейтральное положение по отношению к продольной оси стенда поворотом руля.Причем критерием правильности установки колес в прямолинейное положение в данномслучае может служить как уменьшение величины схождения при их отклонении отнейтрального положения, так и равенство боковых сил на измерительных датчикахопорных барабанов.
Проведем теоретический анализвозможности адекватного использования измеряемого значения силы Риулев (пр) при аналогичном дорожном испытании курсового угла
Известно, что если на эластичноеколесо действует при его качении по плоской поверхности боковая сила Р¶у, то перемещение центра колеса не будет совпадать снаправлением плоскости его вращения, составляя с этой плоскостью угол увода d, который при небольших значениях (до8°) можно приближенно найти по следующей формуле:
/>,
где Кув — коэффициентсопротивления уводу.
Естественно предположить, что если наколесо извне боковая сила не действует, а колесо установлено таким образом, чтоего направление перемещения образует с плоскостью вращения определенный угол de,a (колесо установлено со схождением иразвалом), то в пятне контакта колеса с опорной поверхностью появится боковаясила Р¶¢у,которую также можно выразить зависимостью Р¶¢у=Кув×de,a.Для конкретного типа шин и условий экспериментавеличина Кув будет зависеть от нормальной нагрузки, действующей наколесо. Для практических расчетов можно использовать формулу, предложенную Р.Смилиеем и В. Горном:
Кув=С(А-В×Gк)× Gк,(1)
где А, В, С — коэффициенты, зависящиеот конструкции шины.
Таким образом, зная нагрузку и типшин, можно определить Кув, а задаваясь величиной угла и влияниемразвала — схода dea, определить величину боковой силы в пятне контакта прикачении колеса, установленного со схождением.
Если рассматривать качение колеса побеговым барабанам стенда, то нормальная нагрузка, приходящаяся на колесо Gк, распределяется между барабанами по известнымзависимостям. Таким образом, можно предположить, что боковая сила в пятнахконтакта колеса с барабанами, вызванная качением колеса со схождением, будетравна
/>,(2)
где индексы «п» и «и» относятсоответствующие параметры к приводному и измерительному барабану соответственно.
Очевидно, что
/>
будет в несколько раз больше Р¶¢у, измеренной в дорожных условиях. Это обусловленозначительным различием пятна контакта шины с опорной поверхностью при дорожныхи стендовых испытаниях.
Если принять предложенное утверждениеЯ.М. Певзнера и Г.А. Гаспарянца о том, что боковая сила в пятне контактапропорциональна боковой деформации шины в данной точке опорной поверхности, томожно записать:
dРу²=lш×у×dx,(3)
где lш — коэффициент, зависящий от упругих свойств шин;
у — боковая деформация шины;
у = х — tgde +ун»х×de+ун,
где ун — боковаядеформация в начальной точке контакта.
Обозначив длину пятна контакта сбарабаном через 1и(п) и продифференцировав уравнение (1)от 0 до 1и (п), получаем:
/>.(4)
Приняв lш×1и(п)=Си(п) — коэффициент боковой жесткости шины в контакте шины с барабанами, получим:
/>.(5)
Так как при малых de,a, ун»0, то
/>.
В конкретных условиях экспериментаопределение Си(п) и lи (п) не представляет трудностей.
Итак, суммарная боковая сила настенде равна
/>,
а коэффициент перевода боковой силы F, снимаемой на стенде, в значениебоковой силы F, вызывающей тот же боковой увод шиныde,a при качении по дороге, которой будетравен
/>(6)
где С»100… 140-для различных типов шин;
/>;(7)
/>,(8)
где Вш — ширина профилянедеформированной шины;
D0 — свободный диаметр шины.
Таким образом, целью работы являетсясоздание математического аппарата, позволяющего путем инструментальногоконтроля на универсальном диагностическом стенде отслеживать изменениенекоторых параметров устойчивости и управляемости АТС в процессе эксплуатации,а также выявление и анализ влияния наработок в агрегатах, узлах и механизмахАТС на изменение данных параметров и на снижение безопасности движения ипрогнозирование критических значений указанных наработок по условиям безопасности движения.
Прелагается примерный алгоритм:
- автомобиль настенде проходит комплексные испытания;
- снимаемыепараметры, а также измеренные ранее подставляем в качестве входных вматематическую модель поведения автомобиля на стенде;
- на выходеполучаем углы увода колес автомобиля и соответствующие им боковые силы;
- полученныезначения в качестве входных параметров вносятся в математическую моделькриволинейного движения автомобиля (часть входных параметров задают режимкриволинейного движения – тип выполняемого маневра);
- на выходеполучаем показателя устойчивости и управляемости АТС, характеризующие БДД;
- производитсяанализ технического состояния АТС и связанное с ним ухудшение БДД по параметрамустойчивости и управляемости;
- делают прогнозкритического значения наработок в анализируемых агрегатах и узлах (рулевоеуправление, передний мост, шины) по указанным параметрам.
/>
а)
/>
б)
Рис. 22. Схема привода от двигателяавтомобиля (передний привод): а) фронтальный вид; б) вид сверху
/>
а)
/>
б)
Рис.23. Схема привода отэлектродвигателя барабана (задний привод): а) фронтальный вид; б) вид сверху
Далее решаются промежуточные задачи:
- разработатьметодику испытаний АТС на стенде, позволяющую отследить влияние указанных ранеенаработок на значение снимаемых с измерителя боковых сил параметра – Рyи;
- разработать математическуюмодель автомобиля на стенде, позволяющую получать значения углов увода колесавтомобиля и соответствующих им боковых сил, адекватных криволинейному движениюавтомобиля;
- разработатьматематическую модель криволинейного движения автомобиля и комплексы входныхпараметров, адекватно отражающие различные режимы движения и маневры автомобиля;
- данная модельдолжна в качестве выходных параметров иметь показатели БДД по условиямустойчивости и управляемости;
- проведениеполигонных испытаний испытуемых автомобилей и получение указанных вышепоказателей БДД;
- сравнение результатови выводы.
Принимаем общие допущения:
При проведении полигонных испытаний врассматриваемых нами режимах движения управляемые колеса поворачиваются на уголменее 15°, т.е. автомобиль движется потраектории сравнительно больших радиусов и на высоких скоростях. Поэтомустендовые испытания предлагается проводить при углах поворота управляемых колесне более 10°.
Предполагается, что в данных режимахиспытаний можно достоверно отследить влияние ухудшения тех. состояния АТС наснимаемые со стенда параметры, и при этом избежать больших нелинейных ошибок,возникающих из-за особенностей контакта шины с поверхностью барабанов.
Остальные допущения и условияобосновываются и оговариваются в соответствующих моделях.
Выводы и рекомендации
1. Существуютизвестные зависимости, отражающие изменение нормальных реакций на колесо состороны барабанов (RNп и RNи) в различныхрежимах испытаний. Необходимо проанализировать следующие предположения:
RNп / RNи= RXп / RXи = RYп/ RYи;
RNп + RNи= Gк;
RYп + RYи= РY,
из которых можно найти значение РY,сняв с измерительного устройства значение RYи.
2. В режимеиспытаний на стенде, когда движение колеса осуществляется посредством приводаавтомобиля (передний привод), реакции RYп и RYисонаправлены. В случае, когда управляемые колеса приводятся во вращениеэлектроприводом барабана или двигателем автомобиля (задний привод) через цепнуюпередачу, данные реакции противоположно направлены, причем меняется направлениереакции RYп. При этом изменяется форма пятна контакташины и приводного барабана. Это приводит к тому, что деформация шины в обоих случаях(особенно во втором) значительно отличается от ее деформации в дорожныхусловиях.
В связи с этим высказываетсяпредложение синхронного привода от двигателя автомобиля и электродвигателяприводных барабанов с целью взаимной нейтрализации возникающих реакций RYп.Согласно данному предложению, суммарная боковая реакция на колесе будет равнанулю при равенстве касательных скоростей колеса и барабана (wб×rб = wк×rк).
Поскольку радиус колеса в процессеиспытаний изменяется, то в качестве синхронизирующего фактора, определяющегопередаточное число скоростей вращения барабана и колеса, предлагается изменяющеесярасстояние между осями вращения колеса и барабана. Либо, если анализ позволитзаключить о малых погрешностях результатов при допущении rк = const,синхронизировать скорости вращения колес и барабанов через постоянное отношениеих радиусов.
3. При выполнениипредыдущего условия логически приходим к отсутствию касательных реакций в этом пятне контакта.Отсюда можно сделать вывод о том, что при данном режиме испытаний характервзаимодействия приводного управляемого колеса автомобиля с приводным барабаномбудет идентичен состоянию покоя. При этом на измерительных барабанахсохраняются те же физические процессы, что и без описанной синхронизации. Нанаш взгляд, данный режим значительно приближает стендовое испытание к дорожномув вопросе идентичности пятна контакта, но данное предложение требуеттеоретического обоснования и практического подтверждения.
4. Не совсем понятенхарактер распределения нормальных реакций на колесо в описанном режиме и, какследствие, доля касательной и боковой реакций на колесо со стороныизмерительного барабана.
Библиографический список
1. Авдонькин Ф.Н.Оптимизация изменения технического состояния автомобиля в процессе эксплуатации/ Ф.Н. Авдонькин. – М.: Транспорт, 2008. – 350 с.
2. Артемьев А.Н.Моделирование управляемого движения автомобиля с целью оптимизации параметров,влияющих на управляемость. — Дис. … канд. техн. наук / А.Н. Артемьев. — М.,2008. — 158 с.
3. Байэтт Р.Расследование дорожно-транспортных происшествий: Пер. с англ. / Р. Байэтт, Р.Уоттс. — М.: Транспорт, 2009. — С. 288.
4. Болдин А.П.Научные основы разработки и использования систем внешнего и встроенногодиагностирования на автомобильном транспорте. Дис. … док. тех. наук. — М.,2007. — 430 с.
5. Венгеров И.А.,Сурков С.В. Автомобильный транспорт и проблема повышения безопасности дорожногодвижения. // Вестник Российского автотранспортного союза. — 2010. — №1. — С.25-30. Государственный доклад по безопасности дорожного движения за 2000 г.
6. Волошин Г.Я.Анализ дорожно-транспортных происшествий / Г.Я. Волошин, В. П. Мартынов,А. Г. Романов. – М.: Транспорт, 2007. – 240 с.
7. Гержодов В.И.Техническое состояние автомобилей и безопасность движения / В.И. Гержодов. – К.:Техника, 2008. – 149 с.
8. Говорущенко Н.Я.Диагностика технического состояния автомобилей / Н.Я. Говорущенко. — М.:Транспорт, 2010. – С. 54.
9. Денисов А.С.Основы формирования эксплуатационно-ремонтного цикла автомобилей / А.С.Денисов. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. – 352 с.
10. Диваков Н.В.Топливный баланс автомобиля / Н.В. Диваков, А.Н. Стрельников //Автомобильная промышленность. — 2011. — №8. — С. 13-14.
11. Иларионов В.А.Стабилизация управляемых колес автомобиля / В.А. Иларионов. – М.:Транспорт, 2006. – 167 с.
12. Кислицын Н.М.Определение углов установки управляемых колёс при движении автомобиля / Н.М.Кислицын, Ю.В. Максимов // Автомобильная промышленность. – 2007. — №9. — С.26-27.
13. Кнороз В.И.Работа автомобильной шины / В.И. Кнороз. — М.: Транспорт, 2006. – 238 с.
14. Коллинз Д. Анализдорожно-транспортных происшествий / Д. Коллинз, Д. Моррис. – М.: Транспорт,2011. — С. 128.
15. Лаврентьев П.Совершенствование государственного контроля безопасности автотранспортныхсредств / П. Лаврентьев // Автомобильный транспорт – 2010. — №3. — С. 45.
16. Литвинов А.С.Исследование кинематики рулевого управления с учётом кинематики переднейподвески / А.С. Литвинов, Ю.М. Немцов, С.А. Тимофеев // Автомобильнаяпромышленность. – 2010. — №1. — С. 11-I3.
17. Логинов В.Н.Электрические измерения механических величин, 2-е изд., перераб. и доп / В.Н.Логинов. -М.: Энергия, 2006. — 102 с.
18. Малюков А.А.Научные основы стендовых испытаний автомобилей на активную безопасность. Дис. …док. тех. наук. — М., 2008. — 546 с.