|
Харківський національний автомобільно-дорожній університет
Степанов Віктор Юрійович
УДК 629.017
ЗНИЖЕННЯ НЕРІВНОМІРНОСТІ ГАЛЬМІВНИХ МОМЕНТІВ НА КОЛЕСАХ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБІЛЯ
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 Подригало Михайло Абович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідувач кафедри “Технології машинобудування і ремонту машин”.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Александров Євген Євгенович, Харківський національний політехнічний університет “ХПІ”, завідувач кафедри “Колісні та гусеничні машини”;
кандидат технічних наук, доцент Варваров Леонід Миколайович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, доцент кафедри “Трактори і автомобілі”.
Провідна установа: Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, кафедра “Автомобілі”, Міністерство освіти і науки України, м. Луганськ.
Захист відбудеться “ 17 ” “ травня ” 2006 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: Україна, 61002, м.Харків, вул. Петровського, 25.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: Україна, 61002, м.Харків, вул. Петровського, 25.
Автореферат розіслано “ 15 ” квітня 2006р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої Ради Наглюк І.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Вступ. Інтенсивне збільшення щільності й скорості руху автомобілів на дорогах України зумовили необхідність підвищення вимог безпеки дорожнього руху, покращення гальмових властивостей автомобілів за рахунок параметричної та структурної оптимізації конструкцій, використання нових, більш ефективних рішень.
Актуальність теми. Стабільність величин моментів, створених гальмівними механізмами, позитивно впливає на величину шляху гальмування та на стійкість автомобіля. Нерівномірність гальмівних моментів на колесах різних бортів призводить до виникнення додаткового момента, що розвертає автомобіль в площині дороги, погіршує керування гальмівною системою, призводить до зниження ефективності гальмування й втрати курсової стійкості автомобіля. Все це є однією з найбільш розповсюджених причин дорожньо-транспортних пригод на дорогах і визначає актуальність теми дисертаційної роботи.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в межах досліджень і відповідно до постанови Національної Ради України з питань безпеки життєдіяльності населення №3 від 25.12.97 “Про відповідність вимогам охорони праці машин, транспортних засобів, обладнання, що виготовляються в Україні”, планів науково-дослідних робіт ХНАДУ з проблеми “Безпека дорожнього руху” та комплексної теми: “Системне проектування і конструювання транспортних засобів, що забезпечують необхідну активну безпеку дорожнього руху”.
Окрім того, ВАК України (Бюлетень ВАК України №5, 2000р., с.12) визначив роботи, присвячені безпеці на транспорті, як один з найактуальніших напрямків досліджень.
Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є покращення гальмівних властивостей автомобіля та підвищення курсової стійкості при гальмуванні за рахунок зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах однієї осі.
Для досягнення поставленої мети визначено такі основні завдання дослідження:
- дослідити вплив нерівномірності розподілення гальмівних моментів на стійкість руху автомобіля під час гальмування та оцінити допустиму нерівномірність гальмівних сил на колесах передньої і задньої осі автомобіля;
- розробити та дослідити систему, що забезпечує автоматичне зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах передньої осі
легкового автомобіля, скласти алгоритм роботи розробленої системи;
- провести лабораторні дослідження розробленої системи;
- провести дорожні випробування автомобіля з установленою на ньому системою зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах передньої осі.
Об'єктом дослідження є процеси, що протікають у гальмівних механізмах при зміні їх параметрів і керуючої дії, а також впливу цих процесів на курсову стійкість автомобіля під час гальмування.
Предметом дослідження є зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах передньої осі автомобіля з метою підвищення курсової стійкості автомобіля під час гальмування.
Методи дослідження. У роботі застосувались методи системного аналізу, що грунтувалися на емпіричному й теоретичному рівні дослідження, методи теорії диференціальних рівнянь, методи теорії подібності. У експериментальній частині використовувались методи стендових і натурних досліджень.
Наукова новизна одержаних результатів. Уперше введено нові зв'язки до фізичної моделі системи передніх гальмівних механізмів. Одержала подальший розвиток фізична модель збуреного руху автомобіля в процесі гальмування. Визначено нові взаємозв’язки між конструктивними параметрами гальмівної системи, що забезпечують ефективну роботу системи зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах передньої осі.
Практичне значення одержаних результатів. Запропонований у дисертаційній роботі спосіб зниження нерівномірності розподілу гальмівних моментів між колесами однієї осі легкового автомобіля прийнятий для використання відділом конструкторських робіт СП ЗАТ “Автозаз - Дэу” та інститутом машин і систем Мінпромполітики України та НАНУ.
Окрім цього, розроблені автором стенди для дослідження роботи гальмівних механізмів використовуються студентами, магістрами і аспірантами для проведення науково-дослідних робіт на кафедрі технології машинобудування і ремонту машин Харківського національного автомобільно-дорожнього університету.
Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати дисертаційної роботи одержані особисто. У спільних роботах автор:
- дослідив шляхи підвищення стабільності дискового гальмівного механізму відкритого типу [1];
- дослідив вплив нерівномірності розподілення гальмівних моментів на стійкість руху автомобіля [3];
- дослідив характеристики зниження нерівномірності гальмівних моментів на осі автомобіля [4];
- запропонував систему функціональної діагностики для стендових досліджень гальмівної системи [6].
Апробація результатів дисертації. Дисертаційна робота обговорювалась в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті на спільному засіданні кафедр: технології машинобудування і ремонту машин; автомобілів; мехатроніки; системотехніки й діагностики транспортних машин; автомобільної електроніки та у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” на спільному засіданні кафедр колісних і гусеничних машин імені А.А. Морозова й автомобіле - і тракторобудування.
Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень роботи доповідались та обговорювались на науковій конференції “Інформаційні технології Військово-Повітряних Сил України в XXI ст.” (м. Харків, ХІ ВПС, 2001р.); VII Міжнародної науково-технічній конференції “Транспорт, екологія - стійка рівновага” (м. Варна, Болгарія, 2001р.); міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології в машинобудуванні і на транспорті” (м. Севастополь, СевГТУ, 2001р.); міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми мехатроніки в подальшому розвитку транспортних засобів і систем” (м. Харків, ХНАДУ, 2001р.); науково-методичній конференції “Комп'ютерні та інформаційні технології в навчальному процесі і наукових досягненнях” (м. Харків, ХНАДУ, 2001р.); міжнародній науково-технічній конференції “Перспективні напрямки розвитку конструкції автомобіля” (м. Харків, 2001р.); 67-ій науково-технічній і науково-методичній сесії університету (м. Харків, ХНАДУ, 2003р.); міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційні технології в авіації” (м. Харків, ХІ ВПС, 2003р.); міжнародній науково-технічній конференції “Автомобільний транспорт в XXI ст." (м. Харків, ХНАДУ, 2003р.).
Публікації. Основні результати роботи викладено у 9-ти статтях, надрукованих у спеціальних науково-технічних виданнях, що входять до переліку ВАК України, та одному патенті на винахід.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 156 сторінок, в т.ч. 61 рисунок на 52 сторінках, 4 таблиці на 4 сторінках, 4 додатки на 11 сторінках. Список використаних джерел містить 190 найменувань на 19 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтовано актуальність і новизна теми, сформульовано мету і завдання досліджень, наведено основні напрямки вирішення завдань, викладено положення, що визначають наукову новизну і практичну значимість роботи.
Перший розділ дисертації присвячено аналітичному огляду виконаних досліджень і обґрунтованню обраного напрямку роботи.
Питанням дослідження динаміки гальмування автомобіля та пошуку шляхів її удосконалювання присвячені праці: Д.А. Антонова, Ю.Б. Бєленького, В.А. Богомолова, Н.А.Бухаріна, В.П.Волкова, Б.Б. Генбома, Н.А. Гесслера, А.Б. Гредескула, В.А. Іларіонова, В.Г. Зімельова, Г.М. Косолапова, О.І. Кузнецова, В.Г. Лебедянцева, А.С. Литвинова, Н.Ф. Метлюка, М. Мічке, Я.М. Певзнера, М.А. Петрова, М.А. Подригало, А.А. Ревіна, В.Г. Розанова, А.М. Туренко, А.С. Федосова,
Е.А. Чудакова та багатьох інших авторів.
Дослідженнями встановлено, що нестабільність гальмівних механізмів викликає зміну загальної гальмівної сили, її розподілу між осями й бортами (поява бортової нерівномірності). Зазначені явища погіршують ефективність гальмування й курсову стійкість транспортного засобу. Бортова нерівномірність гальмівних механізмів викликає появу момента, що розвертає транспортний засіб. Застосування відкритих дискових гальм дозволяє знизити бортову нерівномірність, підвищити ефективність гальмування автомобіля за рахунок високої стабільності гальмівного момента. У зв'язку із цим ученими О.С. Федосовим і М.А. Подригало був запропонований варіант конструкції дискового гальма відкритого типу, що володіє від’ємним зворотним зв'язком, а отже, і високою стабільністю гальмівного момента (рис. 1).
Проведений аналіз літературних джерел доводить, що відомі рішення з підвищення стабільності гальмівних механізмів не усувають бортову нерівномірність гальмівних сил, що може призвести до втрати стійкості автомобіля під час гальмування. Це спричиняє необхідність пошуку більш ефективних засобів зниження нерівномірності гальмівних моментів на правих і лівих колесах. З урахуванням проведеного аналізу сформульовано основні завдання дослідження.
Другий розділ присвячений проведенню теоретичного дослідження впливу нерівномірності гальмівних механізмів на стійкість руху автомобіля під час гальмування. Нерівномірність гальмівних сил на колесах однієї осі призводить до появи збурюючого моменту протягом усього часу, що відповідає гальмуванню без блокування цих коліс. Був розглянутий випадок, при якому передні незаблоковані колеса мають нерівномірність гальмівних сил, рівну  . Розрахункова схема руху автомобіля в цьому випадку відрізняється від відомих тим, що викликане заносом збурювання не припиняється протягом усього часу гальмування й буде мати такий вигляд:
 (1)
де а – відстань від передньої осі до проекції центра мас на горизонтальну площину;
 – радіус інерції автомобіля щодо вертикальної осі;
 – поздовжня колісна база автомобіля;
 – прискорення вільного падіння  =9,81 м/с2;
 – коефіцієнт зчеплення коліс із дорогою;
 – висота центра мас автомобіля;
 – швидкість автомобіля уздовж осі ох1 у розглянутий момент часу;
 – дійсний коефіцієнт розподілу;
 – кутова швидкість автомобіля в площині дороги;
 - кутове прискорення, що збурює, викликане дією обертального момента
 , (2)
 , (3)
де  - коефіцієнт пропорційності при щ.
Якщо допустити, що величина k = const, то розв’язок рівняння (3) одержимо у вигляді (з урахуванням початкової умови – при t=0 → ω=0)
 , (4)
Після перетворень одержимо
 , (5)
Результати проведеного дослідження доводять, що необхідно звести нерівномірність передніх гальм до нуля, оскільки при заблокованих задніх колесах і незаблокованих передніх колесах, що мають нерівномірність гальмових сил, кутова швидкість заносу збільшується пропорційно.
Також розглядався випадок, при якому незаблоковані задні колеса мають нерівномірність  . Рівняння кутового переміщення автомобіля при гальмуванні в цьому випадку має вигляд
 , (6)
або  , (7)
Як й у попередньому випадку, якщо прийняти k1 = const, одержимо
 , (8)
Отримані залежності дозволили зробити оцінку припустимої нерівномірності гальмівних сил на колесах задньої осі автомобіля.
Аналізуючи рівняння (7), що описує закон руху автомобіля під час замету, можна зробити висновок про те, що цей рух прагне до рівноважного стану, при якому dω/dt =0. За таких умов справедливим буде співвідношення
 , (9)
Провівши перетворення, одержимо
 , (10)
де Ш - курсовий кут автомобіля.
Вирішуючи отриману нерівність відносно  , одержимо
 , (11)
В результаті отримаємо вираз для припустимої нерівномірністі задніх гальм
 , (12)
де [ψ] – припустимий кут повороту поздовжньої осі автомобіля наприкінці гальмування.
Проведені дослідження впливу нерівномірності розподілу гальмівних моментів на стійкість руху автомобіля при гальмуванні дозволили встановити, що допускається певна нерівномірність гальмівних сил на задніх колесах. Величина припустимої нерівномірності в цьому випадку визначається залежно від вагових, геометричних і конструктивних параметрів автомобіля за допомогою залежності (12).
Отже, для поліпшення курсової стійкості автомобіля неприпустима нерівномірність гальмівних сил на передніх колесах автомобіля. Для цього вкрай потрібна розробка спеціальної системи автоматичного зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах передньої осі автомобіля.
У третьому розділі проведено теоретичне дослідження системи, що забезпечує автоматичне зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах передньої осі легкового автомобіля. Система побудована на основі гальмівної системи (рис. 1) з певними доробками. Зокрема, у магістраль керування дискових гальм однієї осі легкового автомобіля встановлений і підпружинений із двох сторін чотирихідний золотниковий розподільник. Підпружинені торцеві порожнини золотникового розподільника з'єднані зі штоковими порожнинами опорних циліндрів відповідних дискових гальм, а внутрішні порожнини золотника пов'язані з додатковим робочим циліндром, установленим у скобі супорта (рис. 2).
Гальмівна система працює у такий спосіб. При зміні гальмівного момента на лівому або правому дискових гальмах, обумовленому або зміною коефіцієнта тертя, або зміною середнього радіуса тертя Rср, змінюється момент сил тертя щодо осі шарніра 2. При цьому рівновага скоби 3 порушується. Скоба 3 повертається навколо шарніра 2, при цьому змінюється тиск у порожнинах робочих гальмівних циліндрів 4 й у штокових порожнинах 7 опорних циліндрів 6. Зміна тиску в порожнинах робочих гальмівних циліндрів 4 викликає відповідна зміна гальмівних моментів дискових гальм. Різниця сил тисків гальмівної рідини в штоковій 7 і безштоковій 10 порожнинах пропорційна гальмовому моментові.
Гальмівні моменти на лівому і правому гальмівних механізмах
 (13)
 (14)
де  ,  – тиск рідини в основних робочих гальмівних циліндрах лівого й правого гальм відповідно;
 ,  – тиск рідини в додаткових робочих гальмівних циліндрах лівого й правого гальм;
 ,  – площі поршнів основних і додаткового робочих гальмівних циліндрів;
 ,  – еквівалентні значення коефіцієнтів тертя фрикційних пар лівого й правого гальм, отримані за умови сталості середнього радіуса тертя;
Z – число пар тертя;
 – середній радіус тертя приймається рівним
 (15)
 ,  – зовнішній і внутрішній радіуси тертя;
Рівняння рівноваги скоб лівого й правого гальм в обертовому русі в площині гальмівного диска
 (16)
 (17)
де  – тиск робочої рідини в магістралі;
 , – площі поршнів опорних циліндрів;
 – плече сили тертя відносно осі шарніра;
 – відстань від осі опорного циліндра до осі шарніра.
Під час оцінювання характеристик гальмівних механізмів було використано наведений коефіцієнт тертя. Для дискових гальм цей коефіцієнт можна визначити як
 (18)
Для дискового гальма без зворотного зв'язку за гальмівним моментом
 (19)
Для лівого і правого гальмівних механізмів
 (20)
 (21)
Нерівномірність гальмівних моментів на колесах однієї осі можна оцінити коефіцієнтом нерівномірності
 , (22)
Для дискових гальм з негативним зворотним зв'язком без керуючого клапана
 (23)
де  – коефіцієнт зниження нерівномірності гальмівних моментів за рахунок уведення негативного зворотного зв'язку на одному гальмі.
Після перетворень, для запропонованої схеми, одержимо
 (24)
Гальмівний момент на правому колесі можна виразити через гальмівний момент на лівому
 (25)
Відповідно, наведений коефіцієнт тертя
 (26)
Таким чином, застосовуючи систему для зниження нерівномірності гальмівних моментів і введенням від’ємного зворотного зв'язку, за гальмівним моментом, на кожному з дискових гальм можна зменшити нерівномірність гальмівних сил на колесах однієї осі автомобіля.
Для стабільної роботи золотникового розподільника й швидкодії в систему було додано додаткове джерело гальмівного зусилля у вигляді гідронасоса високого тиску (рис.3).
У чотирихідному золотниковому розподільнику 13 внутрішні порожнини 14, утворені золотником 12, у корпусі пов'язані з відповідними додатковими гальмівними циліндрами 5 і з магістралями 15 зливу надлишкової гальмівної рідини. При нейтральному положенні золотника 12 середній пасок 16 золотника 12 перекриває вікно живлення, пов'язане з магістраллю 9 і гідронасосом високого тиску 17.
Для опису роботи системи при гідросиловому гальмівному приводі справедливі рівняння (13), (14), (16), (17).
Підводячи рідину до золотникового розподільника від окремого джерела тиску й при  одержимо
 (27)
де  - максимальне значення різниці ефективних коефіцієнтів тертя;
 – максимальний тиск відрегульованого пропускного клапана гідронасоса.
Звідси визначимо
 (28)
Таким чином, використання в ланцюзі регулювання автономного джерела тиску гальмівної рідини дозволяє поліпшити ефективність розподілу гальмівних моментів між правим і лівим колесами однієї осі автомобіля. Зазначена система автоматичного зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах передньої осі легкового автомобіля захищена автором в співавторстві Державним патентом України.
Зважаючи на те, що робота сучасного легкового автомобіля неможлива без використання бортових комп'ютерів, електронних, електромеханічних приладів і пристроїв, для дорожніх випробувань розроблена система автоматичного розподілу гальмівних моментів за принципом гальмівного мехатронного пристрою (рис. 4).
Гальмівна система складається з дискових гальм, кожне з яких містить гальмівний диск 1; поворотну навколо шарніра 2 скобу 4 з розташованими в ній робочими гальмівними циліндрами 3; давачем величини гальмівного момента (тензодавач) 7; сигнал з якого надходить в електронний блок керування 8; мехатронного гальмівного пристрою 6. Додатково встановлено давачі кутової швидкості коліс 5 і давач контролю тиску в гальмівному приводі 9, що з'єднані з електронним блоком керування 8.
Алгоритм роботи (рис.5) поданої вище системи автоматичного зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах передньої осі побудований за принципом різноманітного нескінченного циклу. Це означає, що в нього є початок, розподілений на варіанти роботи, але жоден з варіантів не має кінця. У певний момент роботи кожен варіант повертається на певний вищий щабель роботи. Таке рішення алгоритму дозволяє уникнути “глухокутових” ситуацій, чим забезпечується постійна працездатність блока керування штатного режиму роботи, аварійного режиму роботи, режиму руху на малих швидкостях автомобіля, режиму екстреного гальмування.
Алгоритм роботи системи побудований так, що спочатку виробляється аналіз ступеня втручання електричної частини в процес гальмування, а потім здійснює вирівнювання гальмівних моментів.
У четвертому розділі здійснено експериментальне дослідження роботи системи автоматичного зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах передньої осі легкового автомобіля. Експериментальні дослідження проходили двома етапами.
На першому етапі, що проходив у лабораторних умовах на спеціально виготовленому автором стенді (рис. 6), оцінювалися динамічні характеристики розробленої гідросилової системи автоматичного зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах передньої осі легкового автомобіля й оцінювалася робота електронної системи та гальмівного механізму з електромеханічним приводом.
Лабораторні дослідження на стенді гідросилової системи автоматичного зниження нерівномірності гальмівних моментів на двох колесах легкового автомобіля дозволили оцінити динамічні характеристики системи. При цьому нерівномірність гальмівних моментів знизилася на 52,5 % (з 20% до 9,5%) (рис. 7).
На стенді була перевірена робота експериментального гальмівного механізму з електромеханічним приводом і проведено налагодження функціональної діагностики електронного блоку керування системи, призначених для дорожніх випробувань.
На другому етапі проводилися дорожні випробування легкового автомобіля з метою дослідження траєкторії руху в гальмівному режимі (рис. 8 а), оцінки впливу нерівномірності гальмівних моментів на стійкість руху автомобіля під час гальмування колесами передньої й задньої осі, оцінки роботи розробленої автором системи автоматичного зниження нерівномірності гальмівних моментів на колесах передньої осі (рис. 8 б).
Застосування на легковому автомобілі системи автоматичного зниження нерівномірності гальмових моментів на колесах передньої осі, що складається з електромеханічного привода гальмівних механізмів й електронного блока керування (рис. 9), довели ефективність розробленої системи.
Нерівномірність гальмівних моментів знизилася на 91,7% (з 18% до 1,5%). При всіх гальмуваннях із увімкненою системою автомобіль зберігав курсову стійкість (рис. 10).
За рахунок швидкодії системи скоротився час гальмування й гальмівний шлях автомобіля (рис. 11).
Проведені випробування підтвердили теоретичні положення та можливість використання розробленої системи для зниження нерівномірності гальмівних моментів на передніх колесах легкових автомобілів.
ВИСНОВКИ
| 
