|
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ
АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ
Доброгорський Максим Васильович
УДК 629.017
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СТІЙКОСТІ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБІЛя ПРИ ГРАНИЧНИХ РЕЖИМАХ РУХУ
Спеціальність 05.22.02 – автомобілі та трактори
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Волков Володимир Петрович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідувач кафедри технічної експлуатації і сервісу автомобілів.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гецович Євген Мойсейович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри автомобіле- та тракторобудування;
кандидат технічних наук, доцент Шепеленко Ігор Георгійович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, доцент кафедри автомобілів.
Провідна установа: Східноукраїнський національний університет імені В. Даля, кафедра “Автомобілі”, Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ.
Захист відбудеться “ 17 ” травня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Петровського, 25.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.
Автореферат розісланий 1“ 15 ” квітня 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради, І.С. Наглюк
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У процесі руху автомобіля криволінійною траєкторією в площині дороги з'являється дестабілізуючий момент. Причиною є зсув центра прикладення бічних реакцій щодо центра мас автомобіля. При перевищенні дестабілізуючим моментом граничної величини реактивного момента з боку дорожнього покриття відбувається втрата стійкості руху автомобіля.
Ефективне вирішення зазначеної проблеми можливе шляхом автоматизації процесу керування величиною дестабілізуючого момента за рахунок різниці дотичних реакцій на колесах осі. Однак при цьому необхідно контролювати припустиме сполучення динамічних параметрів, що забезпечують стійкість руху.
Таке керування стійкістю автомобіля в різних умовах руху підвищує його активну безпеку та середню швидкість руху, а також знижує кількість ДТП.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася:
- відповідно до постанови Національної ради з питань безпеки життєдіяльності населення №3 від 25 грудня 1997 р. “Про відповідність вимогам охорони праці машин, транспортних засобів, устаткування, що виготовляється в Україні”;
- відповідно із планами науково-дослідної роботи ХНАДУ по проблемі ”Безпека дорожнього руху” і комплексної теми ”Системне проектування та конструювання транспортних засобів, які забезпечують необхідну активну безпеку дорожнього руху”.
Мета і задачі дослідження.
Мета дослідження - поліпшення динамічних параметрів граничних режимів руху автомобіля за умовами забезпечення стійкості.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
- виконати якісну і кількісну оцінку впливу величини дестабілізуючого момента в площині дороги на зміну показників курсовий і траєкторної стійкості автомобіля;
- виконати якісну оцінку процесу динамічної стабілізації курсового кута автомобіля за допомогою регулювання дестабілізуючого момента;
- провести експериментальну оцінку забезпечення курсової стійкості автомобіля в процесі гальмування за допомогою регулювання дестабілізуючого момента;
- провести експериментальні дослідження з оцінки параметрів траєкторної стійкості автомобіля при усталеному русі криволінійною траєкторією.
Об'єкт дослідження - процес зміни динамічних параметрів автомобіля при прямолінійному та криволінійному русі.
Предмет дослідження - вплив динамічних параметрів автомобіля на дестабілізуючий момент, що діє в площині дороги.
Методи дослідження. При виконанні роботи використано теоретичні та експериментальні методи дослідження. Теоретичні методи: математичного моделювання, розв’язок систем нелінійних диференціальних рівнянь та аналіз їхньої стійкості. Експериментальні методи: фізичне моделювання та натурні випробування об'єкта.
Наукова новизна отриманих результатів. Уперше встановлено взаємозв'язок величини дестабілізуючого момента, що діє в площині дороги, і показників стійкості руху автомобіля.
Уперше отримано якісні характеристики процесу стабілізації курсового кута автомобіля в процесі регулювання дестабілізуючого момента, що дозволило визначити граничні параметри регулювання стійкого руху автомобіля.
Практичне значення одержаних результатів.
Отримані результати використовуються відділом НДР інституту машин і систем Мінпромполітики і НАН України при модернізації конструктивних елементів ходової частини автомобілів, що перебувають в експлуатації, з метою підвищення їхніх техніко-експлуатаційних характеристик; Харківським НДІ судової експертизи імені Бокаріуса при аналізі причин виникнення ДТП; Запоріжським автомобільним заводом (ВАТ АвтоЗАЗ) при розробці систем динамічної стабілізації курсового кута автомобіля.
Особистий внесок здобувача.
Всі отримані результати, що виносяться на захист, отримані автором самостійно й в основному викладені в роботах, опублікованих без співавторів. У спільних роботах здобувач:
- виконав огляд способів динамічної стабілізації курсового кута автомобіля при різних режимах руху [9];
- розробив математичну модель для оцінки динамічних параметрів автомобіля при русі у процесі гальмування з різним сполученням заблокованих коліс [1, 5-7];
- розробив нелінійну математичну модель для оцінки динамічних параметрів автомобіля в процесі стабілізації курсового кута при гальмуванні [2, 3].
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися і обговорювалися на: IX-ій Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки". - Харків, ХИМЕСХ 2003 рік; IX-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Транспорт, екологія - стійкий розвиток”. - Варна, ВТУ, 2003 рік; Міжнародній науково-технічній конференції “Автомобільний транспорт у XXI столітті”. Харків: ХНАДУ, 19-20 листопада 2003 року; III-му Міжнародному семінарі “Перспективи розвитку автомобіле-і тракторобудування”. - Харків: ХПИ, 27-28 квітня 2004 року; VII-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Автомобільний транспорт: Проблеми й перспективи”. Севастополь: СевГТУ, 13-18 вересня 2004 року; IV-му Міжнародному семінарі “Перспективи розвитку автомобіле-і тракторобудування”. - Харків: ХПИ, 26-27 квітня 2005 року; Міжнародній науково-технічній конференції “Технічні й економічні перспективи розвитку автотранспортного комплексу й дорожнього будівництва”. Харків:
ХНАДУ, 16-17 травня 2005 року; Наукових семінарах професорсько-викладацького составу ХНАДУ у 2001 - 2004 р.
Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 8-и статтях у спеціалізованих наукових журналах, що входять у перелік ВАК України, та 1-у збірнику тез доповідей на міжнародній конференції.
Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Повний обсяг дисертації складає 161 сторінку, в тому числі 85 рисунків на 43 сторінках, 3 таблиці на 1 сторінці; список використаних джерел з 115 найменувань на 12 сторінках і додаток на 4 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступній частині обґрунтовано актуальність і практичну цінність досліджуваних завдань, сформульована мета і задачі досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі розглядаються шляхи підвищення стійкості руху колісних машин та причини її втрати. Наведено аналіз літератури, у якому розглянуто дослідження по вивченню параметрів, критеріїв та способів забезпечення стійкості руху колісних машин.
Стійкість є важливою експлуатаційно-технічною властивістю колісних машин, що визначає ефективність їхнього використання та безпеку руху. У цьому плані треба зазначити роботи: Антонова Д. О., Богомолова В. О., Волкова В. П., Гєцовича Є.М., Гредескула А. Б., Клименко В. І., Литвинова О. С., Певзнера Я. М., Подригало М. А., Смірнова Г. О., Туренка А.М., Чудакова Є.А. та ін.
На цей час у вітчизняній літературі можна визначити два аспекти оцінки параметрів стійкості руху автомобіля. Відповідно до першого як ознака втрати курсової або траєкторної стійкості розглядаються бічні реакції у площині контакту коліс з опорною поверхнею. При перевищенні бічною силою граничної величини бічної реакції за умовами зчеплення настає втрата стійкості. Прихильники другої точки зору вважають, що поняття стійкості автомобіля характеризує його поводження тільки в русі за заданим курсом. Формулювання поняття стійкості руху при цьому дається у повній відповідності з визначеннями, прийнятими в загальній теорії стійкості механічних систем. Проте в цей час за кордоном поширюється застосування автоматизованих систем контролю за стійкістю руху автомобіля за рахунок регулювання момента, діючого у площині дороги. Проводяться роботи в напрямку вдосконалювання алгоритмів визначення стабілізуючого момента, надійності вимірів та обробки сигналів джерел первинної інформації. Проте у вітчизняній літературі ця проблема не розкрита й вимагає додаткових досліджень.
У другому розділі описано теоретичні дослідження впливу дестабілізуючого момента на динамічні характеристики автомобіля під час руху.
Уперше було застосовоно гіпотезу про втрату стійкості через дію дестабілізуючого момента, запропоновано багатофакторний аналітичний коефіцієнт стійкості, що дозволяє оцінити стійкість руху автомобіля та її запас. Застосування розглянуто на прикладі моделювання процесу гальмування автомобіля при випереджаючому блокуванні коліс задньої осі (автомобіль представлено у вигляді просторової одномасової моделі).
Розрахункова схема розподілу лінійних швидкостей, сил і моментів зображена на рисунку 1.
Динамічні характеристики автомобіля описуються рішенням системи нелінійних диференціальних рівнянь. Дестабілізуючий момент, обумовлений зсувом центра прикладення бічних реакцій Z щодо центра мас автомобіля (рис. 1-б) при заносі, визначається виразом
 , (1)
Величина для цього випадку визначається залежністю
 . (2)
Реактивний момент із боку дороги щодо центра мас автомобіля
 , (3)
де  - запас коефіцієнта зчеплення для коліс передньої осі в поперечній площині
 , (4)
де  - максимальне значення коефіцієнта зчеплення в поперечній площині для коліс передньої осі.
Чисельне значення визначається як відношення дестабілізуючого момента до суми реактивних моментів передньої й задньої осей щодо центра мас і стабілізуючого момента (залежить від різниці дотичних реакцій на колесах різних бортів), що діють на автомобіль у площині дороги в процесі руху
 . (5)
З аналізу виразу (5) можна зробити такі висновки:
- якщо
 , рух автомобіля відбувається при байдужій рівновазі, тобто найменше збурювання призведе до втрати стійкості;
- якщо
 , автомобіль рухається стійко, тобто можливий рух у сталому режимі ( );
- якщо
 , рух автомобіля нестійкий, тобто під дією дестабілізуючого момента відбувається зміна кутового прискорення (кутової швидкості й курсового кута).
Визначення “рухається стійко” означає, що автомобіль зберігає курсову та траєкторну стійкість.
Для розглянутого випадку руху автомобіля при випереджальному блокуванні коліс задньої осі становить інтерес визначення коефіцієнтів стійкості для задньої та передньої осей окремо.
На рисунку 2 подано графік зміни дестабілізуючого момента та стабілізуючого момента, що діють на автомобіль у площині дороги, і коефіцієнта стійкості задньої осі в процесі заносу, вирахуваного за формулою (5).
Аналіз цього графіка доводить, що, починаючи з часу  , задня вісь не зберігає стійкість, величина становить 2,6…2,7; значення дестабілізуючого момента  досягає значних значень за умови збереження власної стійкості передньою віссю автомобіля.
Визначимо гранично припустимий зсув центра прикладення бічних реакцій за умови забезпечення власної стійкості задньої осі автомобіля. Згідно (1) можна записати
 . (6)
При аналізі графіка (рис. 2) можна визначити зону (простір над кривою) припустимого відхилення центра прикладення бічних реакцій за умови забезпечення стійкості руху автомобіля щодо кутової швидкості із заблокованими колесами задньої осі.
Для визначення умов повного ковзання передньої осі, втрати її власної стійкості визначимо чисельне значення коефіцієнта стійкості за формулою (5)
 . (7)
Момент визначається при, що відповідає значенню коефіцієнта відносного поздовжнього ковзання.
Аналіз графіків зміни та доводить, що розвиток заносу досліджуваного автомобіля за відсутності бічного ковзання коліс передньої осі (збереження передньою віссю власної стійкості) можливий при виконанні умови, тобто до момента досягнення величиною момента граничного значення суми моментів за умовами зчеплення, після чого необхідно перейти до іншої розрахункової схеми автомобіля.
Для розглянутого автомобіля максимальна тривалість заносу задньої осі становить  с. Дестабілізуючий момент при цьому досягає свого максимального значення 5,2 кН·м.
У третьому розділі наведено параметри процесу динамічної стабілізації курсового кута автомобіля.
Процес динамічної стабілізації при гальмуванні розділено на дві фази:
- гасіння заносу задньої осі автомобіля. Тривалість першої фази до моменту виконання умови;
- усунення кутового відхилення автомобіля в площині дороги, викликаного заносом. Тривалість другої фази до моменту виконання умови .
Запропоновано розгальмовування із цією метою тільки одного заднього колеса (розташованого на внутрішньому борті стосовно напрямку заносу), що дозволяє забезпечити високі характеристики перехідних процесів обох фаз процесу стабілізації курсового кута за рахунок додаткової складової стабілізуючого момента, обумовленою різницею гальмівних сил на колесах задньої осі.
Схема сил і моментів, що діють на автомобіль у процесі руху з розгальмованим заднім колесом і розподілу швидкостей показано на рисунку 3.
Центр повороту автомобіля (точка O) переміщується праворуч щодо поздовжньої осі (рис. 3-б).
Схема сил і моментів, що діють на автомобіль, у цьому випадку відрізняється від схеми, поданої на рисунку 3, протилежним напрямком дії реакцій та. Центр прикладення бічних реакцій залишається між центром мас і точкою  , дестабілізуючий момент не змінює напрямку своєї дії. За допомогою системи нелінійних диференційних рівнянь (8) описано динаміку автомобіля при відсутності повторного загальмовування заднього колеса.
 (8)
У системі рівнянь (8) зміна знака враховується за допомогою множення на функцію.
Момент повторного загальмовування заднього колеса обирається з урахуванням швидкодії привода гальмової системи. Загальмовування виконується при досягненні курсовим кутом автомобіля в процесі стабілізації значення початкового кутового відхилення автомобіля при заносі. Таким чином, умовою забезпечення курсової стійкості автомобіля є виконання умови
 . (9)
На рисунку 4 подано графіки динамічних параметрів автомобіля в процесі стабілізації курсового кута при тривалості процесу  с та  с.
Аналіз цих графіків доводить, що за відсутності повторного загальмування заднього колеса кутова швидкість автомобіля залишається від’ємною до зупинки (рис. 4-а). У результаті курсовий кут автомобіля продовжує зростати у протилежному напрямку, втрачається курсова стійкість. У випадку тривалості процесу динамічної стабілізації с, з момента виконання рівності (9), кутова швидкість повільно зменшується до нульового значення (автомобіль зберігає курсову стійкість).
Процес динамічної стабілізації автомобіля під час руху криволінійною траєкторією розглянуто при таких припущеннях:
- колеса кожної осі замінені одним умовним колесом із центром у середині осі (розглядається “велосипедна схема”);
- кут повороту керованих коліс залишається постійним (положення кермового колеса зафіксоване);
- коефіцієнти опору бічному зсуву осей у процесі руху не змінюються.
Схема розподілу лінійних швидкостей сил і моментів у процесі стабілізації курсового кута автомобіля при русі по криволінійній траєкторії подано на рисунку 6.
Загальновідомо, що під час руху автомобіля при дії бічної сили кочення його коліс відбувається з бічним зсувом, що пояснюється бічною деформацією шини та частковим проковзуванням її відбитка у контакті з опорною поверхнею. При цьому центр прикладення бічних реакцій  зміститься щодо центра мас автомобіля на відстань. З'явиться дестабілізуючий момент, створюваний силою на плечі в площині дороги. Це призведе до зміни радіуса повороту та зміни кутової швидкості автомобіля. При позитивному знаку справедлива нерівність, у випадку від’ємної величини правильно (рис. 6). Тому запропоновано створити стабілізуючий момент, дотримуючись умови, де
 . (10)
Визначено роботу дестабілізуючого момента при русі автомобіля в сталому режимі по криволінійній траєкторії
 . (11)
Оскільки розглядається сталий режим руху, тобто, то справедливим є твердження, і залежність від носить лінійний характер. Ця залежність дозволяє проілюструвати вплив роботи дестабілізуючого момента на ступінь проковзування у контакті шин з опорною поверхнею. Поздовжня вісь автомобіля при цьому не повертається на кут.
Отже, за визначенням траєкторної стійкості динамічна стабілізація курсового кута автомобіля полягає в контролі величини кута, тобто необхідно прагнути до виконання умови , контролюючи при цьому коефіцієнт стійкості і дотримуючись нерівності.
Для визначення величини дестабілізуючого момента, що діє на автомобіль у процесі динамічної стабілізації курсового кута, скористаємося виразом (1). Сумарний реактивний момент із боку дороги щодо центра мас автомобіля, який перешкоджає бічному ковзанню осей, визначається згідно (3).
На рисунку 7 подано: а) графіки зміни моментів та і коефіцієнта стійкості руху криволінійною траєкторією, вирахуваного за залежністю (5); б), і їхньої різниці в процесі динамічної стабілізації курсового кута автомобіля.
Аналіз цих графіків доводить, що в процесі динамічної стабілізації досягає нульового значення за проміжок часу с. Величина при цьому зменшується на 37% і становить у сталому режимі кН·м. При цьому автомобіль зберігає власну стійкість, величина при перехідному процесі не перевищує. Зсув центра прикладення бічних реакцій у процесі стабілізації зменшується більш ніж на 0,8 м, але при цьому величина також зменшується на 0,25 м. У підсумку можливе за умовами забезпечення стійкості відхилення центра прикладення бічних реакцій при сталому режимі руху становить 0,6 м.
| 
