автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Методология альтернативных (виртуально-физических) испытаний автоматизированных тормозных систем колесных машин

На правах рукописи

Дыгало Владислав Геннадиевич

МЕТОДОЛОГИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ (ВИРТУАЛЬНО-ФИЗИЧЕСКИХ) ИСПЫТАНИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТОРМОЗНЫХ СИСТЕМ КОЛЕСНЫХ МАШИН

05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

24 АПР 2014

Волгоград - 2014

005547611

005547611

Работа выполнена на кафедре «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей» Волгоградского государственного технического университета.

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Ревин Александр Александрович

Официальные оппоненты: Науменко Борис Семенович

доктор технических наук, профессор, Северо-Кавказский федеральный университет, кафедра «Техническая эксплуатация автомобилей», профессор

Рязанцев Виктор Иванович

доктор технических наук, профессор, Московский государственный технический университет (МГТУ) им. Н.Э. Баумана, кафедра СМ-10 «Колесные машины», профессор Шипилевский Геннадий Борисович доктор технических наук, профессор, Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) Университет машиностроения, кафедра «Автомобили и тракторы», профессор

Ведущая организация Нижегородский государственный технический уни-

верситет им P.E. Алексеева.

Защита диссертации состоится «20» июня 2014 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, 28, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «» 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

(Тяшенко Михаил Вольфредович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Состоит в необходимости ускорения процесса проектирования высокоскоростных колесных транспортных средств с автоматизированной тормозной системой, отвечающих требованиям мирового уровня в части повышения их активной безопасности, и разработки новых перспективных технологий доводочных испытаний. Регламентирующими документами планируется введение альтернативной методики проведения испытаний и сертификации систем курсовой устойчивости основанной на принципах виртуально-физической технологии моделирования. В настоящее время все транспортные средства, оснащаемые АБС, должны соответствовать требованиям Приложения №13 к Правилам 13 ЕЭКООН, в которых указано на необходимость обеспечения устойчивости и управляемости в режиме торможения на дорогах с поперечной неравномерностью коэффициента сцепления (сухой асфальтобетон / мокрый асфальтобетон, сухой асфальтобетон / лед и т.п.). Такие испытания проводятся на специальных дорогах единственного в стране центрального автополигона ЦНИИАМТ ФГУП НАМИ, что обуславливает большие временные потери и трудовые затраты, а также повышенную опасность проведения испытаний, т.к. скорость начала торможения по условиям проведения испытаний должна достигать 80 % от максимальной скорости транспортного средства. Сложившаяся ситуация ставит в сложные условия производителей автомобилей, т.к. автозаводы, а также НИИ и КБ не обладают (а в обозримом будущем и не смогут обладать) подобными участками дорог со специальным покрытием главным образом по причине их значительной стоимости. Вместе с тем, применительно к задаче оснащения колесной машины автоматизированными системами, наиболее острым становится вопрос выявления ошибок на ранних стадиях проектирования, поскольку одной из причин возникновения существенного скачка затрат, является то, что при проектировании качественно нового изделия конструкторы и технологи предъявляют различные требования. Для ускорения процесса проектирования целесообразным является осуществление параллельной работы конструкторов и технологов над разработкой изделия. Однако, существующее штатное стендовое оборудование для проверки тормозных свойств автомобилей (барабанные, роликовые, площадочные и др. типы стендов) не способно решать новые задачи и имеет высокую стоимость (стенды классических типов создаваемые фирмой MTS Systems свыше 10 млн. долл.). Выходом из создавшейся ситуации является совершенствование стендового оборудования и методов испытаний, которые в рамках доводочных испытаний позволяют получить необходимую информацию о разработанной системе, оценить эксплуатационные свойства автотранспортного средства с САБ в режиме торможения, выбрать оптимальную структуру управления тормозами (схему установки) и

отработать технологические решения. Управление траекторией автотранспортного средства с САБ в режиме экстренного торможения имеет свою специфику.

Изложенное выше позволяет сделать вывод об актуальности создания Виртуально-физической технологии моделирования систем активной безопасности транспортных средств.

Связь работы с крупными научными программами, темами.

1. Грант Президента Российской Федерации для поддержки молодых ученых - кандидатов наук «Разработка технологии и методики проведения комплексных испытаний автоматизированных тормозных систем колёсных транспортных средств» МК-9265.2006.8 (№ 9/755-06).

2. Научно-техническая программа «Научные направления высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограмма 205 Транспорт, раздел научно-технической программы 205.03 Наземные транспортные средства, тема 205.03.01.14 «Разработка стенда-тренажера для испытания автомобилей с АБС в режиме торможения», № 9-53/63-01 (ВолгГТУ), 2001-2002 г., Номер государственной регистрации 01200109544.

3. Научно-техническая программа «Научные направления высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограмма 205 Новые авиационные, космические и транспортные технологии, раздел научно-технической программы 205.03 «Экологически чистый и высокоскоростной наземный транспорт», тема 205.03.01.001 «Разработка методики проведения комплекса доводочных испытаний автоматизированных тормозных систем автомобилей с использованием имитационных стендов-тренажеров», № 9-53/330-03 (ВолгГТУ) 2003-2004 г., Номер государственной регистрации 01200310967.

4. Межотраслевая программа сотрудничества Минобразования России и ОАО «АВТОВАЗ» проект 03.02.004. «Разработка методики построения имитационных стендов-тренажеров для проведения виртуальных лабораторных испытаний автоматизированных тормозных систем автомобилей семейства «АвтоВАЗ»

2004 г.

5. Грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук, транспортные науки, «Разработка физико-механических основ диагностических признаков тормозной системы автомобиля с АБС» 1999-2000 г.

6. Грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук, транспортные науки, «Разработка физико-механических основ повышения надежности элементов шасси автомобиля с АБС в режиме торможения» 2001-2002 г.

7. Грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук, раздел:

транспортные науки, «Выбор параметров обратной связи по тормозному усилию между звеньями автопоезда при существенной нестационарности тормозных моментов на колесах тягача» № Т02-13.0-48, 2003-2004 г.

Цель работы: Создание виртуально-физической технологии моделирования позволяющей исследовать рабочий процесс систем активной безопасности автотранспортных средств и их эксплуатационные свойства в режиме торможения на стадии проектирования и производства для повышения качества, сокращения сроков и экономии ресурсов.

Для достижения цели работы необходимо решение следующих задач исследования:

1. Провести анализ конструктивных решений систем активной безопасности и их рабочих процессов, для выявления «критических» элементов;

2. Рассмотреть дорожные условия и требования к оснащению полигонов для проведения тормозных испытаний автотранспортных средств с системами активной безопасности;

3. Проанализировать возможности существующих стендов и установок для лабораторных испытаний при проведении доводочных испытаний АТС в режиме торможения;

4. Установить «типовые» задачи, решаемые при проектировании и в процессе испытаний автоматизированных систем активной безопасности автомобиля и на этой базе разработать принципы построения основных «классов» виртуально-физических моделей;

5. Обосновать принципы выделения физического объекта, применительно к режиму торможения автотранспортных средств (что должно быть физическим объектом, а что можно моделировать математическими зависимостями);

6. Выявить критерии подбора средств, для решения соответствующих типовых задач;

7. Провести верификацию обеспечения адекватности протекающих процессов при виртуально-физическом моделировании;

8. Развить основные классы математических моделей автотранспотрных средств с АБС применительно к задачам проведения Виртуально-физических испытаний;

9. Реализовать опытные образцы и установки под конкретные задачи испытаний;

10. Выработать критерии оценки эффективности применения автоматизированных устройств систем активной безопасности автомобиля при использовании виртуально-физической технологии моделирования.

Объект исследования. Автотранспортные средства, оборудованные антиблокировочной и системой динамической стабилизации.

5

Квалификационная формула работы.

Диссертационная работа является самостоятельной завершенной научной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены положения, которые можно квалифицировать как совокупность научно обоснованных технических решений, заключающихся в обосновании и разработке основных принципов повышения качества испытаний систем активной безопасности автомобилей на основе применения Виртуально-физической технологии моделирования.

Полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при адаптации систем активной безопасности и проведении испытаний в заданных дорожных условиях, а также при выборе их основных параметров и технических решений на стадии проектирования.

Внедрение изложенных научно обоснованных технических решений вносит значительный вклад в решение народно-хозяйственных и социальных задач страны, а также в повышение ее обороноспособности. Научная новизна.

1. Разработана методология альтернативных испытаний и технология создания лабораторных комплексов для проведения испытаний систем активной безопасности автотранспортных средств в соответствии с отечественными и международными нормативными требованиями, отвечающая альтернативной методике, планируемой к введению на территории РФ с 2016 г.

2. Созданы принципы исследования рабочих процессов систем активной безопасности автотранспортных средств и их эксплуатационных свойств в режиме торможения методами Виртуально-физической технологии моделирования, которая в отличие от других методик обладает повышенной гибкостью.

3. Виртуально-физическая технология позволяет проводить испытания и адаптировать к шасси коммерческие блоки САБ с собственной закрытой логикой по принципу «чёрного ящика», а также разрабатывать и рационализировать новые алгоритмы работы.

4. Разработаны и отлажены оригинальные средства реализации, позволяющие проверять и рационализировать совместимость компонентов систем активной безопасности различных фирм производителей.

5. Для повышения эффективности проведения доводочных испытаний и ускорения процесса проектирования предлагается основную часть исследований тормозных свойств АТС проводить в лабораторных условиях методом Виртуально-физической технологии моделирования, позволяющей проводить проверку правильности принятых решений на каждом этапе проектирования на основе использования У-цикла проектирования.

6. Выполнена систематизация и определены критерии подбора средств реализации

6

предложенного лабораторного метода испытаний, а также разработаны критерии выбора этих средств, в отличие от других зарубежных разработок, позволяющие не привязываться к конкретным фирмам производителям.

7. Уточнены реализуемые на установках математические модели, учитывающие полноприводные варианты компоновки машин, связь затормаживаемых колес через дифференциал, включая режим торможения двигателем, влияние гироскопического момента на изменение нормальных нагрузок управляемых колес в процессе их самоповорота при торможении автомобиля с АБС. Предложена методика учета изменения коэффициента трения накладок применительно к режимам движения с АБС, обусловленная рабочим процессом функционирования, на изменение температуры и коэффициент трения накладок.

8. Разработанная технология позволяет безопасно, в условиях лаборатории оценить живучесть системы активной безопасности, имитируя отказы компонентов и оценивая поведение автомобиля в целом при максимальном приближении стендовых испытаний к реальным.

На защиту выносятся: новый научный подход к решению проблемы повышения качества испытаний систем активной безопасности автомобилей на основе применения Виртуально-физической технологии моделирования.

1. Методика построения и средства реализации лабораторных имитационных стендов в соответствии с классами моделей в зависимости от решаемых задач, использующих методы виртуально-физической технологии моделирования для режима доводочных испытаний автомобиля с системой активной безопасности, доработанная математическая модель.

2. Имитационные стенды для проведения доводочных испытаний систем активной безопасности.

3. Результаты имитационного моделирования.

4. Условия и режимы проведения доводочных испытательных работ с использованием V цикла на имитационном стенде, которые позволяют в полной мере учесть требования регламентов к системам активной безопасности.

5. Лабораторный метод проведения доводочных испытаний систем активной безопасности, позволяющий учитывать режим корректирования траектории движения автомобиля водителем, в процессе торможения, предусмотренное нормативными требованиями.

Достоверность результатов. Разработанные методики основываются на фундаментальных положениях физики, теоретической механики и математики, а также на использовании апробированных методов имитационного математического моделирования. Выводы теоретического анализа подтверждаются хорошим совпадением с результатами модельных и натурных экспериментов.

7

Теоретическая значимость результатов работы.

1. Созданы принципы альтернативных испытаний и исследования рабочих процессов систем активной безопасности автотранспортных средств и их эксплуатационных свойств в режиме торможения методами Виртуально-физической технологии моделирования, которая в отличие от других методик обладает повышенной гибкостью.

2. Выполнена систематизация и определены критерии подбора средств реализации предложенного лабораторного метода испытаний (в условиях максимально приближенных к реальным), а также разработаны критерии выбора этих средств, в отличие от других зарубежных разработок, позволяющие не привязываться к конкретным фирмам производителям.

3. Уточнены реализуемые на установках математические модели, учитывающие полноприводные варианты компоновки машин, связь затормаживаемых колес через дифференциал, включая режим торможения двигателем, влияние гироскопического момента на изменение нормальных нагрузок управляемых колес в процессе их самоповорота при торможении автомобиля с АБС. Предложена методика учета изменения коэффициента трения накладок применительно к режимам движения с АБС, обусловленная рабочим процессом функционирования, на изменение температуры и коэффициент трения накладок.

Практическая значимость результатов работы.

Применение стендов реализованных на основе виртуально-физической технологии моделирования позволят:

1) осуществлять испытания, как натурных образцов систем активной безопасности, так и провести отработку алгоритмов и схем установки вновь создаваемых;

2) проводить сертификационные испытания систем активной безопасности автотранспортных средств по альтернативной методике, планируемой к введению на территории РФ с 2016 г.;

3) вести контроль и проверку качества автоматизированных тормозных систем поставляемых на конвейер, что позволит повысить эффективность производства и контрольно-измерительных и испытательных операций.

Реализация результатов работы. В процессе выполнения работ при поддержке министерства по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограммы «Транспорт» на 2001-2002 г. (Тема 205.03.01.14) «Разработка стенда - тренажера для испытания автомобиля с АБС в режиме торможения», был разработан макет имитационного стенда-тренажера.

Создан макет стенда для испытания автомобильных АБС в условиях максимально приближенных к реальным, с учетом корректирующих действий водителя по направлению курсового движения, в соответствии с заданием НТП «Транспорт» на 2000-2002 гг.

Совместно с итальянской исследовательской группой по динамике шасси автомобиля (по инициативе Dipartimento di Meccanica, Politécnico di Torino (Туринский политехнический институт) г. Турин Италия) реализованы стенды (использующие разработанные в ВолгГТУ принципы комплексной технологии моделирования) в лаборатории кафедры Механики Туринского политехнического института, и проведены испытания систем активной безопасности и электрогидравлической тормозной системы (Electro-Hydraulics breaking system ЕНВ) (стенд создан на базе узлов тормозной системы выпускаемых фирмами Alfa Romeo, Bosch, Bendix, Magneti Marelli, TRW, при поддержке FIAT Auto Италия).

Используются в учебном процессе при подготовке инженеров на кафедре СМ-10 «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Материалы диссертационного исследования являются частью отчетов по программам:

> НТП «Научные направления высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограмма 205 Транспорт;

> НТП «Научные направления высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограмма 205 Новые авиационные, космические и транспортные технологии;

> Межотраслевая программа сотрудничества Минобразования России и ОАО «АВТОВАЗ»;

> Грант Президента Российской Федерации для поддержки молодых ученых -кандидатов наук;

> 3-х грантов по фундаментальным исследованиям в области технических наук, транспортные науки.

Личный вклад автора. Автор самостоятельно сформировал общую концепцию исследования и получил основные результаты диссертационной работы. Автор предложил и разработал теоретические основы для исследования систем активной безопасности автомобиля используя разработанную виртуально-физическую технологию моделирования. Компьютерные модели Simulink и стенды для исследования алгоритмов систем активной безопасности созданные на базе узлов тормозной системы выпускаемых фирмами Alfa Romeo, Bosch, Bendix, Magneti Marelli, TRW, при поддержке FIAT Auto Италия разработаны совместно с сотрудниками итальянской исследовательской группы по динамике шасси автомобиля (по инициативе Dipartimento di Meccanica, Politécnico di Torino г. Турин Италия)

9

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались: на внутривузовских научных конференциях МАДИ (ГТУ) 2005; на научных семинарах МГТУ им. Н. Э. Баумана: посвященном 70-летию кафедры «Колесные машины» в ноябре 2006 г.; на международных конференциях Ассоциации Автомобильных Инженеров: 54-й в июне 2006 г. и 61-й в июне 2008 г., в декабре 2009 г., 70-й в июне 2010 г., 78-й в июне 2012 г., 79-й в сентябре 2012 г., а также на внутривузовских и международных конференциях и семинарах в ВолгГТУ, НГТУ, кафедре «Автомобили и тракторы» МАМИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 научно-технические работы, в том числе 2 монографии, 18 статей в журналах из списка, рекомендованного ВАК при защите докторских диссертаций.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и списка использованных источников, содержащего 161 наименование, в том числе 48 зарубежных и приложений. Содержание изложено на 410 с. текста, включая 237 рисунков и 53 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность решаемого вопроса, а также приводится краткое содержание основных разделов диссертации.

В первой главе проведен анализ научно-исследовательских работ по тормозной динамике автомобиля.

Одним из важнейших вопросов при рассмотрении тормозной динамики автомобиля является устойчивость и управляемость его движения, базирующаяся на анализе курсового движения. Вследствие явления неравномерного торможения колес, по причине неравномерности действия тормозных механизмов и различия в коэффициентах сцепления под колесами, автомобиль уводит от прямолинейной траектории движения. В этом направлении широкое признание получили работы следующих ученых: В.П. Автушко, Ю.Н. Андриевич, В.Д. Ахметшин A.M., Балакин, A.A. Барашков, A.C. Брыков, Е.М. Герцович, А.Б. Гредескул, JI.B. Гуревич, Е.И. Железнов, В.А. Илларионов, А.Х. Каландаров, Ю.М. Калинин, В.В. Капустин, Н.Т. Катанаев, В.А. Кнороз, Ю.Я. Комаров, Г.М. Косолапов, Ю.Ф. Козлов, С.И. Ломака, П.Б. Лукавский, Н.Ф. Метлюк, Б.И. Морозов, В.В. Мочалов, Я.Н. Нефедьев, Э.Н. Никульников, В.А.-Петров, М.А. Петров, И.К. Пчелин, A.A. Ревин, Б.С. Фалькевич, И.М. Флерко, А.К.Фрумкин, A.A. Хачатуров, Б.Ф. Юдаков, A.A. Юрчевский, Д.Л. Якштес и др. Вопросы устойчивости и управляемости автомобиля разрабатывались многими исследователями: Д.А. Антонов, C.B. Бахмутов, Г.А. Гаспарянц, Л.Л. Гинцбург, Р.П. Кушвид, A.C. Литвинов, Я.М. Певзнер, В.И. Рязанцев, Г.А. Смирнов, Ю.Г. Стефанович, Я.Е. Фаробин, И.В. Ходес, Е.А. Чудаков, Д.Р. Эллис и др., систе-

мы автоматического контроля и управления: Б.С. Науменко, Г.Б. Шипилевский, испытаний: В.Н. Кравец, С.М. Кудрявцев и др. Анализ современных автоматизированных тормозных систем показывает, что совершенствование тормозной динамики автомобиля и повышение курсовой устойчивости происходит за счет введения дополнительных алгоритмов работы на базе элементов антиблокировочных тормозных систем.

Конкурентная борьба вынуждает производителей все больше и больше сокращать сроки разработки и организации производства новых моделей. В этих условиях наиболее острым становится вопрос о выявлении ошибок на ранних стадиях проектирования автомобиля. В результате анализа циклов проектирования различных производителей можно отметить, что основной скачёк затрат в результате ошибок проходит на двух переходных стадиях - до и после проведения испытаний. Анализ средств испытаний тормозных систем автомобиля выявил критерии выбора лабораторного метода испытаний автоматизированных тормозных систем. В качестве такового предлагается метод Виртуально-физической технологии моделирования (ВФТМ), сочетающий физическое и математическое моделирование исследуемого сложного объекта. На первом этапе эта задача в ВолгГТУ решалась на основе применения аналоговых вычислительных машин (АВМ).

Учитывая сложность и повышенную опасность проведения доводочных испытаний систем активной безопасности, соответствующим образом ограничивающую области изучения динамики транспортных средств, в критических режимах, сформулирована цель работы и отражены основные положения научной новизны.

Во второй главе изложены основные принципы виртуально-физической технологии моделирования.

При моделировании, для решения задач формирования на стадии проектирования основных эксплуатационных свойств автомобиля в режиме торможения: устойчивости, эффективности и управляемости необходимо по возможности близко отразить реальную картину протекания рабочих процессов в системе «Автомобиль -Водитель - Дорога» (А-В-Д). В этой системе объединены в едином процессе как механические перемещения масс (подрессоренных и неподрессоренных), так и физические процессы, сопровождающие работу различных систем автомобиля и влияющие на характеристики его движения (взаимодействие колеса с дорогой, гидродинамические процессы в тормозной системе, поворот управляемых колёс при управляемом движении и т. п.).

При системном исследовании общего случая поведения автомобиля в режиме торможения необходимо принять единую методику описания взаимодействия различных частей изучаемой системы А-В-Д., которая отражена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема взаимосвязи моделей подсистем «Автомобиль», «Водитель», «Дорога» и их основные элементы:

- связи, накладываемые подсистемой «Автомобиль»;

~ связи, накладываемые подсистемой «Дорога»; = = связи, накладываемые подсистемой «Водитель»

Наиболее сложным в системе А-В-Д является подсистема «Автомобиль». Каждый модуль этой подсистемы совершает определённые преобразования величин и, следовательно, характеризуется входными и выходными параметрами. В этой связи на рисунке 2 отдельно представлена структурная схема взаимосвязи моделей модулей в подсистеме «Автомобиль».

Как видно из приведённой схемы, все модули можно расположить с некоторым приоритетом. Наивысший приоритет имеют модули «Колесо» и «Кузов», поскольку без них в принципе невозможно смоделировать движение автомобиля. Второй приоритет значимости имеет модуль «Тормозная система», которая в соответствии со сформулированной выше целью, необходима для моделирования торможения автомобиля.

При моделировании процесса торможения отдельного колеса изменение угловой скорости в общем виде описывается уравнением:

Jk • шк = Rx ■ rd - Mt - Mtr - Mf

(1)

где ,гк- момент инерции колеса; так - угловое замедление колеса; ях- касательная реакция опорной поверхности; г<а- динамический радиус колеса; м, - тормозной момент на колесе; мг - момент силы сопротивления качению колеса; м,г -момент сил сопротивления в трансмиссии и двигателе.

Для определения величины тормозного момента, необходим учет гистерезиса тормозного механизма. Условиями адекватного моделирования указанного процесса являются равенство площадей идеализированной и реальной петель гистерезиса и воспроизведение зоны нечувствительности р,0, обусловленной усилием стяжных пружин и силами сопротивления в тормозном механизме.

Рисунок 2 - Зависимость изменения коэффициента трения тормозных накладок

от температуры (по данным испытаний колодок FERODO RACING) Для систем активной безопасности характерно, что большая часть энергии автомобиля при торможении гасится не в пятне контакта колеса с дорогой, а в тормозном механизме. Это приводит к необходимости учета при ВФТМ изменения температурного режима в системе колодка-диск. Согласно исследованиям зарубежных ученых, при превышении температуры колодки в 300-400 °С может возникнуть так называемый фединг эффект, что приводит к нелинейному падению коэффициента трения тормозных накладок (рисунок 2). Коэффициент трения тормозных накладок может быть выражен следующим образом:

ц = <7 ■ р2 + О ■ р + СЗ v2 + (4 ■ v + С5 ■ Т 2 + (¿6 • Т + ¿7 • р ■ v + (8 ■ р ■ Г + & ■ v ■ Т + Q0 где, v - скорость автомобиля (м/с); р - давление в тормозной линии (бар) Н/м ; Т - температура тормозного диска °С; коэффициенты модели

Третий приоритет значимости имеют модули, направленные на уточнение модели или решение каких-либо подзадач (модули «Подвеска», «Рулевое управление», «Трансмиссия»).

Такое расположение модулей в подсистеме «Автомобиль», когда в первую очередь обрабатываются модули, имеющие наивысший приоритет, позволяет уже на

ранних стадиях моделирования обнаруживать невозможность решения задачи, недостаточность связей с другими модулями или нехватку исходных данных. Кроме того, такое разбиение подсистемы «Автомобиль» минимизирует число взаимодействий между модулями, что наилучшим образом сказывается на одной из задач исследования - скорости решения модели на ЭВМ.

Рисунок 3 - Схема взаимодействия моделей модулей в подсистеме «Автомобиль» в общем случае торможения Предлагаемый модульный принцип составления математической модели подсистемы «Автомобиль» позволяет совершенствовать модель итерационным методом, который дает возможность добавлять или убирать блоки, изменять их математическое наполнение, сохраняя при этом состав формальных связей для полного описания объекта. Итерационный процесс продолжается до тех пор, пока для решения поставленной задачи не получена модель, которую можно считать наиболее полно отражающей физические и временные процессы, протекающие в реальных объектах. Эффективная работа математической модели возможна только при наличии надежных исходных параметров. В противном случае усложнение модели может привести к обратному результату - снижению её достоверности. В нашем случае, при моделировании динамики торможения автомобиля с АБС такими данными являются параметры самого автомобиля (геометрические, весовые и инерционные), колёс, тормозной системы, рулевого управления, подвески, трансмиссии, водителя и дороги.

Анализ показывает, что при проектировании тормозного привода с АБС от начальных конструкторских работ до запуска в серию разработчикам в первую очередь приходится решать следующие типы основных задач (рисунок 4): ■ Задача формирования алгоритма затормаживаемого колеса и подбор характеристик модулятора;

Выбор структуры управления и её рационализация, с учётом действий водителя-оператора.

м

класса «колесо»

•Какправило физически на стенде реализуется на примере одного колеса Оцмбопл алгоритма модулятора (в канале управления одиночным колесом) •Отработка работы одиночных агрегатов п блоков (эмулятор усгошяпедалп) 'Разработка дпагноспиескпх признаков

Рисунок 4

•Какпраеило физически на стенде реализуется на примере всех колес и агрегатов шасси

•Отработка алгоритма модулятора (в канале управления всеми колесами) •Отработка работы агрегатов п блоков системы в целом ♦Выбор п обоснование структуры управления •Разработка диагностических признаков системы

•Исследование устойчивости п управляемости при варшшдп конструктивных параметров элементов шасси (жесткость элементов рулевого управления)

•лак правило физически ни стенде реализуется на примере всех колеси агрегатов шасси + реальный водитель

•Учет действий реального водителя п реализации управляемости в экстремальных режимах движения

• Учет действий реального годщеляп реализации функционирования п согласованности логпкп работы системы активной безопасности •Формирование эксплуатационных свойств колесной машины в режиме торможения

•Исследование психофизиологических факторов человека в критических снтуатгяу_

- Иерархия моделей и принципы подбора и реализации функциональных блоков в зависимости от решаемых задач

функциональные ,

/1 [\1

Нормативные требования / - С 11олигош1Ыс испытания. ВФТМ, Критические режимы \ —:-гп /

Спецификация

Приемочные испытания системы

Ьыстрои прототнинровшше, ВФТМ

Испытание на надежность и безопасность

/1-М

Г ММ. ВФТМ у

Л тг/1

и

Верификация системы

Спецификация разрабатываемого модуля

Верификация модуля

_ Конструкция __

модуля

Рисунок 5 - У-цикл проектирования системы активной безопасности Практика применения Виртуально-физической технологии моделирования (ВФТМ) в ВолгГТУ показала, что используя системное проектирование и моделирование, возможно построение стендов, объединяющие новые и существующие механические, гидравлические, электрические исполнительные устройства и датчики.

Виртуально-физическая технология моделирования (ВФТМ) позволяет сократить процесс проектирования новых систем при использовании предлагаемого У-цикла проектирования (см. рисунок 5). При этом можно быстро уточнять и модифицировать проект до тех пор, пока не будет достигнут желаемый результат.

Если на этапе проектирования и расчета системы, а в последствии и конкретного модуля максимально облегчить труд, позволяют программные пакеты математического моделирования (ММ). То на этапе проверки, контроля и испытаний, целесообразно широкое применение Виртуально-физической технологии моделирования (ВФТМ), которая технология позволяет совмещать натурные агрегаты систем с математическим описанием динамики протекающих процессов и явлений. При этом управление физическим объектом, как и расчет модели, ведется в реальном масштабе времени. В случае возникновения ошибки на этапе верификации системы, возможно проведение быстрого прототипирования и с помощью ВФТМ коррекция спецификации системы, что не вызовет значительных задержек при проектировании. ^ Задача формирования алгоритма работы системы (модели класса колесо)

Исследованиями Е.В.Герца, Г.В Крейнина, Н.Ф. Метлюка, В.П. Автушко и др. установлено, ч'то для описания режима течения жидкости или газа в тормозной магистрали и модуляторе АБС необходимо знание большого числа параметров, которые на стадии проектирования зачастую невозможно получить с требуемой точностью тем самым определяя его как «критическое звено» в цепи моделирования. Вместе с тем, динамика процессов взаимодействия эластичного колеса с поверхностью дороги достаточно хорошо описана математически. Наиболее эффективным выходом из сложившейся ситуации является применение Виртуально-физического моделирования (ВФТМ), когда часть объекта исследования («критические звенья») представлена в виде реального агрегата (часто опытного образца), что позволяет конструктору осуществить оперативную проверку принятых решений ещё на стадии отладки и доводки системы. В работе доказано, что при решении задач рационализации рабочих процессов автоматизированных тормозных систем и исследования динамичности автомобиля в режиме торможения в целом целесообразно магистрали тормозного контура вместе с модуляторами АБС и рабочими цилиндрами (включая податливость шлангов и жесткость системы «колодка-барабан») представлять натурным объектом с физической моделью, при условии сохранения геометрии магистралей и местоположения исследуемых агрегатов. Тогда шасси автомобиля, тормозной механизм, рулевое управление, подвеску, пару «шина - дорога» и т. п. представляется в виде математической модели на управляющем вычислительном комплексе.

Однако, при использовании комплексной технологии моделирования необходимо выполнить одно из важнейших требований - обеспечить работу в реальном

16

масштабе времени. На первом этапе при решении сравнительно простых задач возможен выбор управляющих ЭВМ на основе применения аналоговых вычислительных машин, которые обладают свойством работы в реальном масштабе времени. Проведенные в ВолгГТУ исследования на начальном этапе с использованием ЭМУ-10 и АВК-31М показали, что результаты стендовых исследований полностью отражают физическую картину процесса торможения и дают хорошую сходимость по конечным значениям параметров, что подтвердило возможность дальнейшего их использования в исследованиях комплексной моделирующей установки. Усложнение математического описания различных элементов автомобиля обусловило необходимость применения современных ПК, при условии обеспечения важнейшего условия: время расчета процесса должно быть меньше времени его реального протекания.

Следующей задачей, которую приходится решать конструкторам автомобилей является — Задача выбора структуры управления. Выбор и рационализация структуры управления может реализовываться на модели класса «шасси». При этом разработчики могут использовать виртуально-физическое моделирование для расширения возможностей испытания ходовой части и электронных автомобильных систем, отвечающих жестким требованиям сертификации по работоспособности и безопасности. Так, появляется возможным проводить моделирование всей системы, объединяющей несколько различных подсистем, и анализировать ее работоспособность в опасных или затратных для проведения натурного тестирования условиях и средах.

г

Рисунок 6 - Расчетная схема двухосного автомобиля

Виртуально-физическое моделирование особенно эффективно на данном этапе проектирования, поскольку требования безопасности и быстродействия обязывают тестировать систему до привлечения людей к ее реализации и необходимо свести к минимуму время простоя реального объекта.

В зависимости от целей исследования математические модели шасси могут принимать различную конфигурацию. В ВолгГТУ созданы математические модели шасси следующих типов АТС: двухосный, трёхосный, седельный и прицепной автопоезд. Практика показала необходимость для решения задачи выбора структуры управления помимо традиционных, учета следующих физических процессов: гироскопических моментов управляемых колес при их самоповороте и фединг эффекта в тормозном механизме при действии АБС, гистерезиса и инерционности тормозного механизма.

На основе расчетной схемы (рисунок 6) с использованием методов Даламбера и Лагранжа составлены дифференциальные уравнения, описывающие движение составных частей системы «Водитель - Автомобиль - Дорога».

Уравнения движения центра масс автомобиля запишутся в виде

М ■ (у- У у Г) = -2Х," IX/./- ^

м ■ (УЛ Ух- у) = £яу2у + X + М ■ Га ■ В

у=1 <=1

J!■r = (К.22 - ^21) ■ 0,5 • В2 + - ) ■ 0,5 В,

2 2

(2)

где з^ - момент инерции механической системы относительно вертикальной оси; ух - продольная скорость центра масс автомобиля; Уу - поперечная скорость центра масс; а,Ь - координаты центра масс; в; - ширина колеи соответствующего моста; ул - угол поперечного наклона дороги; у - курсовой угол АТС; Ях1к|, - результирующие реакции на передних колесах по соответствующим осям закрепленной на автомобиле системе координат; рп - сила сопротивления воздуха.

Угол самоповорота управляемых колес определится из дифференциального уравнения вида

V •'Эру^+ Ьру • Эру+ сру • еру = (Ях12 - Ях|,) -[1 - гл ■ (ак + Р„)] -2 2 - • Гс1 • Г» - (Кг12 - К211) • • • Г» + Еми - М1ру ' ^ё" 0РУ.

1=1 1=1

где ^ - суммарный момент инерции колес с приводом относительно шкворня; с -приведенные характеристики жесткости и демпфирования к углу поворота 9; 1- длина цапфы; продольный и поперечный углы наклона шкворня; «к- угол

развала колес; М,ру- момент сухого трения; Мр- результирующий момент, действующий в пятне контакта.

Колесу, вращающемуся вокруг оси с угловой скоростью сок, сообщается дополнительная угловая скорость ш„ вынужденного самоповорота. Однако, при сообщении колесу вращения одновременно вокруг двух осей, возникает момент гироскопической реакции Мг=.Гк шк шв, действующий с частотой самоповорота колес и способствующий изменению нормальных реакций на управляемых колесах. Как показали исследования, возникновение эффекта поперечных колебаний колес управляемой оси от гироскопического момента при самоповороте колес, что важно, с частотой самоповорота влияет на поперечные колебания колес оси и изменение нормальных реакций в пятне контакта до 12%, а это, в свою очередь отражается на частоте функционирования АБС.

Дифференциальные уравнения, описывающие вертикальные и угловые колебания кузова автомобиля, запишутся в виде

.22

г = ХХКчх>а9 /Мро<1 1=11=1

..2 2

^ = -ьк 'ак _мроа - сдч

и и I

2

1=1

'=1

где г- вертикальная координата кузова; Мро<1- масса подрессоренной части автомобиля; Ьк- высота центра подрессоренных масс; ак,Ьк- расстояния от передней и задней оси до центра подрессоренных масс; 1ку- момент инерции подрессоренной массы относительно поперечной оси; )х- продольное замедление автомобиля; ь^.-плечо крена; к,- коэффициент, характеризующий стабилизатор поперечной устойчивости; с1п- расстояния между осями подвесок; ,1кх- приведенный момент инерции подрессоренных масс относительно продольной оси; ] - поперечное ускорение автомобиля; Я2рос|? - вертикальные усилия в подвеске.

Стохастические изменения микропрофиля с достаточной степенью точности могут быть описаны корреляционной функцией вида

Кч(Д1) = ^-ЕА1.е-а'1д11-со8р,-Д1, (5)

¡=1

где Стд- дисперсия процесса; ос, - коэффициенты затухания; Р;- превалирую-

2

щие частоты; =1.

¡=1

При анализе динамики торможения правых и левых колес, соответствующего моста автомобиля с различными структурными схемами установки систем устранения блокирования колес, необходим учет взаимосвязи колес через трансмиссию, что характерно для торможения колес ведущих мостов автомобиля.

В связи с тем, что за основной режим принимается процесс экстренного торможения автомобиля с отсоединенным двигателем, то отличие динамики торможения ведущих колес от ведомых проявляется в увеличении момента инерции затормаживаемых масс колес из-за инерции присоединенных частей трансмиссии и наличии механической связи правого и левого колес между собой через дифференциал. Эти особенности накладывают определенный отпечаток на характер торможения колес при работе антиблокировочной системы.

При определении момента торможения двигателем, его работа представлена как компрессор с принудительным приводом клапанов. При этом принимаем, что энергия сгорания топлива при работе в «тормозном» режиме расходуется на преодоление трения.

Исследования показали, что при определении момента, создаваемого компрессором, необходим учет геометрических параметров поршневой машины, зависимость момента от угла поворота вала при единичном радиусе и давлении на поршень, а также изменение давления в полости сжатия. Тогда для реальной поршневой машины в моменте сопротивления получим:

Мк = Р-г-МгЯ02/4 (6)

где Р - давление в цилиндре из индикаторной диаграммы; г - радиус кривошипа; О - диаметр цилиндра компрессора.

Зависимость момента от частоты вращения:

(7)

где Мср — средний момент за время одного оборота из графика нагрузочного момента, Нм; I - момент инерции, приведенный к валу двигателя, кг м2; А - амплитуда колебаний момента на валу кривошипа; с - жесткость механической характеристики двигателя.

Рационализация структуры управления невозможна без учета действий води-

теля по коррекции направления движения, поскольку колеса сохраняют способность воспринимать боковые реакции без скольжения в течении всего процесса торможения с работающей АБС. Т.о. третьей обязательной задачей является задача рационализации структуры управления учитывающая взаимодействие системы «человек-машина» (модели класса «шасси+водитель»).

Виртуально-физическое моделирование особенно эффективно для её решения на данном этапе проектирования, поскольку требования безопасности и быстродействия обязывают тестировать систему до привлечения людей к ее реализации, необходимо свести к минимуму время простоя реального объекта и необходимо протестировать систему в закритических состояниях, которые физически сложно и небезопасно воспроизвести.

Решение данной задачи возможно за счет расширения возможностей стендового оборудования средствами:

Обеспечивающими визуализацию процесса движения воспринимаемую реальным водителем;

S Реализацией каналов тактильной информации передаваемой водителю.

Особенности построения моделей класса «шасси+водитель» при виртуально-физическом моделировании приведены в четвертой главе.

В третьей главе изложена методика подбора элементной базы для реализации виртуально-физической технологии моделирования.

Рассмотрены системы сбора, обработки сигналов и управления на базе IBM PC совместимых компьютеров для проведения испытаний тормозной динамики в лабораторных условиях. В общем случае любая подобная система состоит из аппаратной и программной частей. Средств для сбора, обработки и анализа аналоговых (АЦП/ЦАП) и дискретных электрических сигналов, а также нормализации (приведения к стандартным диапазонам электрических величин) сигналов от первичных преобразователей (датчиков) физических величин, и средств для вывода информации из компьютера, управление исполнительными устройствами и коммутации сигналов и нагрузок.

Учитывая условие, время расчета математической модели должно быть меньше, чем время протекания физического процесса рассмотрим факторы, от которых это зависит:

1. Производительности вычислительных средств;

2. Выбора языка описания математической модели объекта исследования;

3. Шага расчета математической модели объекта исследования;

4. Оптимизации программы к вычислительным средствам.

Производительность вычислительных средств складывается из следующих составляющих:

1. Количество и производительность центрального процессора;

2. Размеры и тип оперативной памяти;

3. Тип и пропускная способность шин набора микросхем системы.

Доказано, что с точки зрения быстродействия описываемой математической модели наиболее оптимальным является алгоритмический язык описания Fortran, поскольку данный язык был разработан для программного описания математических процессов и явлений. Программные пакеты подобные Mathlab/Simulink для задач работы в режиме реального времени могут использовать различные компиляторы обеспечивая гибкость оптимизации.

Сокращение шага расчета позволяет более точно описывать протекающий процесс (0,01 — 0,0001 е.). Однако, вследствие необходимости расчета в реальном масштабе времени шаг необходимо выбирать в зависимости от времени расчета и вычислительных мощностей, производительность которых можно оценить проведением предварительных тестов.

Для решения задач рационализации структуры управления учитывающая взаимодействие системы «человек-машина» в четвертой главе рассмотрены особенности построения моделей класса «шасси+водитель» при виртуально-физическом моделировании

При визуализации процесса торможения необходимо учитывать то, что водитель принимает активное участие, корректируя траекторию движения автомобиля. При этом, одной из важнейших задач при разработке комплексной моделирующей установки является адекватная визуализация процесса курсового движения автомобиля в процессе торможения и реализация каналов тактильной информации передаваемой водителю (посредством органов управления), проводимое в лабораторных условиях. А, так как водитель большую часть информации (до 85%) о движении автомобиля получает с помощью органов зрения, возникает необходимость наиболее точно отображать ситуацию с помощью современных графических средств, наиболее полно погружая водителя в процесс испытания.

На основании разработанных принципиальных положений в ВолгГТУ и Туринском политехническом институте автором были созданы стенды, реализующие предложенную виртуально-физическую технологию моделирования для проведения исследований систем активной безопасности, в том числе, с учетом действий водителя. Примеры созданных установок и результаты, полученные с их использованием, приведены в пятой главе.

Пример решения задач на уровне модель класса «колесо» проиллюстрирован разработкой и рационализацией электрогидравлической тормозной системы

В результате научного сотрудничества исследовательских групп Волгоградского государственного технического университета и Туринского политехнического

22

института (Politécnico di Torino, Torino, Italy), при поддержке FIAT AUTO, был создан эмулятор усилия педали (ЭУП) {pedal force emulator PFE) для перспективных автоматизированных тормозных систем), который имитирует поведение традиционной педали тормоза, не шокируя водителя и одновременно собирающий необходимые данные для работы ЭГТС.

Данная система содержит главный тормозной цилиндр (ГТЦ) автомобиля Alfa Romeo 166 mod и разработанный эмулятор усилия педали. В отличие от традиционной тормозной системы, где ГТЦ передает усилие от ноги водителя к колёсным тормозным цилиндрам, в данном случае ГТЦ решает обратную задачу, передавая водителю реакцию педали на его действия. Практически ГТЦ используется только при отказе ЭГТС (например, при отсутствии питания), соединяясь напрямую с колёсными тормозными цилиндрами. ЭУП является «сердцем» системы, имитируя возвратное усилие на педаль.

Наиболее простым средством моделирования являются математические пакеты, для предварительного исследования системы, включающей в себя ГТЦ и ЭУП, был использован программный пакет AMESim. В результате первоначального анализа характеристики перемещение-усилие на педали, был сделан предварительный вывод о схеме системы. Все элементы разрабатываемой системы математически и виртуально-физически были опробованы на стенде. Рисунок 7 отображает модель AMESim ЭУП. В данной модели в верхней части отображена модель стандартного ГТЦ, применяемого на Alfa Romeo 166 и две выходных линии давления. Для контроля сигналов и управления стендом в реальном масштабе времени использовался Mathlab/Simulink® и хРС Target. Коммуникацию сигналов ввода-вывода обеспечивали платы National Instruments. Перемещение штока ГТЦ на необходимую величину и с заданной скоростью обеспечивалось гидравлической станцией с электроклапаном DHZO 4/4 Atos и PID контроллером, подключенным к датчику перемещения и гидроцилиндру.

в S Ю II jo И 30

Input rod displacement [mm]

Рисунок 7 - Математическая модель ЭУП, созданная в программе

Рисунок 8 - Экспериментальная характеристика ЭУП: 1 - Bosch; 2 - результат моделирования в AMESim3 - 1,2: экспериментальный результат

AMESim®

На рисунке 8 представлена экспериментальная характеристика ЭУП. Выбросы значений обусловлены трением в ЭУП. Эксперимент показал эффективность применения виртуально-физической технологии моделирования, характеризующейся хорошей воспроизводимостью результатов протекания процессов, учитывающих физические и технологические особенности изделия.

Широкомасштабное применение Электро-гидравлических тормозных систем ограничивается в том числе стоимостью. Фирмы производители данных систем используют пропорционально работающие электроклапаны и дорогостоящие миниатюрные датчики давления.

Рисунок 9 - Вид монтажа гидравлического блока Рисунок 10 - Вид монтажа тор-Bosch ESP 5.7, гидроаккумулятора высокого давле- мозного механизма и клапанов ния, гидроцилиндра, главного тормозного цилиндра гидравлического блока Bosch и эмулятора усилия педали. ABS 5.3

Сократить затраты на производство возможно применением более дешёвых

электроклапанов (с рационализацией алгоритма управления) таким образом, возможно решение еще одной задачи класса «колесо».

Для решения был разработан прототип ЭГТС — системы, использующий двух-позиционные клапана, используемые в традиционных антиблокировочных тормозных системах (АБС) (рисунок 9-11).

Рисунок 11 - Внешний вид стенда 24

Для исследования данного решения использовалась неизолированная схема контура ЭГТС для одного колеса. Управление клапанами и согласование сигналов потребовало создания оригинального коммутационного оборудования.

Первые эксперименты показали возможность использовать для управления электроклапанами применяемых в стандартных АБС и широтно-импульсную модуляцию сигнала. На рисунке 13 показаны полученные характеристики системы по снижению давления в КТЦ, достигнутые за счет применения в коммутационной аппаратуре высокоскоростных реле со временем переключения 0,001 с.

В результате многочисленных экспериментов была подобрана оптимальная частота модуляции управляющего сигнала равная 100 Гц.

Проведенные эксперименты позволили построить таблицу значений градиента давления и давления в КТЦ (рисунок 12, 13), от количества импульсов подаваемых на клапан. Данные значения необходимы для работы в алгоритме управления ЭГТС.

Рисунок 12 - График увеличения давления Рисунок 13 - График градиента давле-в колесном тормозном цилиндре ния и давления развиваемого

в колесном тормозном цилиндре Решение задач выбора структуры управления проиллюстрирован стендом (рисунок 14-16) реализованный автором в лаборатории Туринского политехнического института (Politécnico di Torino, Torino, Italy).

Рисунок 14 - Внешний вид стенда для Рисунок 15 - Схема стенда

испытаний систем активной безопасности

Данный стенд базируется на агрегатах Alfa-Romeo 157/166 mod. и позволяет прово-

Время, с

1500 1400 ¿.1300 ¿1200 Ы1100 = 1000

5 900 2 800 ь 700 2 600 3 500 £■ 400 300 200 100 0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Давление, бар

дить испытания полнокомплектных систем активной безопасности, как ABS, так и ESP. Программное обеспечение стенда реализовано с помощью MathLab/Simulink. Технической особенностью стенда стало применение специализированной платы У СО dSPACE DS 1103.

При проведении испытаний использовались различные технические решения подключения блоков. Так, для верификации работы стенда использовалась электронная начинка блоков Bosch ABS 5.3 и Bosch ESP 5.7, а для отработки собственных алгоритмов использовалось непосредственное подключение к клапанам гидроблока. Это позволило снизить объем дорожных испытаний систем активной безопасности, объединяющих несколько подсистем.

где Рисунок 16 - Вид элементов стенда для испытаний систем активной безопасности: а - управляющий ПК с платой с15РАСЕ 1103; б - привод ГТЦ (имитатор ноги водителя); в - плата сопряжения; г - насосная станция; д - гидроблок системы активной безопасности; е - тормозной механизм

Виртуально-физическое моделирование особенно эффективно для её решения

на данном этапе проектирования, поскольку требования безопасности и быстродействия обязывают тестировать систему до привлечения людей к ее реализации, необходимо свести к минимуму время простоя реального объекта и необходимо протестировать систему в закритических состояниях, которые физически сложно и небезопасно воспроизвести.

Реализовать модель класса «шасси+водитель» позволяет стенд созданный автором в ВолгГТУ (рисунок 20).

Для обеспечения работы имитационного стенда-тренажера в реальном масштабе времени программное обеспечение было распределено на три компьютера объединенных в локальную сеть.

Г---JI 1 — lambdal [m/s] — vR LF |rn/s| — vR RF (m/s) -vel rif fron! (m/s] — velcar |m/s|

..................J.. Nr......-"ТР"

1 г Г

......аО1. т„

..................... .......гшг

...................г ........ffír- --"Vn

1 г:;;:!:;

1 fase 1 |2 i 3 И faseS i _

I- accel LF|g) I 1 MI! .......i i ii i_____________________ 1 « Л

j 1 ........Nf j 1

; .................Í " -....................i...................! 1 nil ........U-.ll .........IT .........I.L

i 1 I I 1

1 f 1 LI i ГТ,

.....................i.............i.....t: ■ч I I ТО* fw

í i VT II T i It ir

r "' 7 1 (I "7.................... .....

! 1 1 1 II ! !

- piessiwie piiua I F |Ьаг| 1 i i и

1- prasslone piiua RF [bar| d

1 Мл II

...................Ц ......I.ijIJU....

1 ................. /i Щ| l\ 1ЦГ Ä»

...L. / II ttf ......... 1 и i VJ

1 / III! 1 1

1 / 1 NI 1 i

\J .......í 1 Ii""' lili 1 ! 1 "

о 0 2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

1 1 1 1 II l 1 11 1- scommento LF I - scommanto RF |

\ 1 1 II

1 Y ' ' J

1 V í

.................г 1 .........1ШГ" .........IWL. \l \[ I

' [' ...................L 1 ni .........U_.ll

1 1 II , , II 1

lempo |s]

Рисунок 17 - Осциллограма верификации логики работы АБС по фазам На рисунках 17, 18 приведены результаты испытаний систем Bosch ABS 5.3 и Bosch ESP 5.7, а также рационализации разработанных алгоритмов работы систем ABS и ESP.

Величина и динамика изменения момента на рулевом колесе реализуется с помощью гидромеханического нагружающего устройства управляемого от одного из персональных компьютеров, через устройство сопряжения объектов (рисунок 20).

Математическая модель движения автомобиля в режиме торможения описана языке Fortran и скомпилирована в виде динамической библиотеки Solver.dll.

tempo [s]

tempo [s]

Рисунок 18 - Осциллограма верификации логики работы ESP: а - осциллограмма работы клапана; б - ускорение в поперечном направлении (м/с2); в - угол рыскания (град); г — продольная скорость (м/с); д - скорость рыскания (град/с)

Подобный подход позволяет ускорить решение модели за счет изначальной ориентированности языка Fortran на оптимальное решение математических задач, а динамическая библиотека дает возможность загрузки только той части, которая необходима для решения в данный момент, тем самым высвобождая вычислительные ресурсы системы. На персональном компьютере реализовано построение и отображение дорожной обстановки перед автомобилем и динамика изменения дорожной ситуации.

Расчет математической модегп I пр оцесса

торможения автомобиля с АБС

И змеритол ьн система

Рисунок 20 - Имитационный стенд-тренажер для ис- Рисунок 21 " Схема имитационного следования тормозных свойств автомобиля с учетом стенда-тренажера для исследования действий реального водителя тормозных свойств автомобиля с уче-

том действии реального водителя В шестой главе проведена верификация при моделировании рабочих процессов

автотранспортных средств с автоматизированными тормозными системами. Анализ

Рисунок 19 - Блок-схема имитационного стенда-тренажера для исследования тормозных

свойств автомобиля с АБС Дальнейшее расширение возможностей стенда применяя ВФТМ, например, позволяет исследовать влияние рабочих процессов АБС на самоповорот управляемых колес в режиме торможения рисунок 22-24.

характеристик получаемых на стендах реализующих виртуально-физическую технологию моделирования показали зависимость изменения параметров динамики торможения от времени, отражающие хорошо известные из теории автомобиля закономерности (см. рисунок 17 - 18). В целом анализ полученных в лабораторных условиях результатов показал их хорошую сходимость с результатами дорожных испытаний. Расхождения обусловливались лишь различиями в конструкциях испытываемых тормозных систем и присущих любому реальному процессу нестабильностью параметров функционирования.

Рисунок 23 - Изменение жесткости рулевого управле- Рисунок 24 - Изменение демпфирования ния рулевого управления В седьмой главе изложена методика проведения доводочных испытаний в цикле проектирования автоматизированных тормозных систем на установке и перечислены основные мероприятия, входящие в структуру доводочных испытаний.

На основании требований методики ЕЭК ООН определен порядок проведения испытаний, согласно которой проверяются эксплуатационные свойства автомобиля с АБС.

Разработчики могут использовать виртуально-физическое моделирование для расширения возможностей испытания ходовой части и электронных автомобильных систем, отвечающих жестким требованиям сертификации по работоспособности и безопасности. Проводить моделирование всей системы, объединяющей несколько различных подсистем, и анализировать ее работоспособность в слишком опасных

Рисунок 22 - Изменение приведенного момента инерции рулевого управления: за счет перемещения дополнительных масс, расположенных на поворотных кулаках; б положенных на рулевом колесе.

А

-рас-

или дорогих для проведения натурного тестирования условиях и средах.

Это позволит существенно снизить объем дорожных испытаний систем активной безопасности, объединяющих несколько подсистем.

Используя системное проектирование и моделирование, возможно построение стендов под конкретные задачи, объединяющие новые и существующие механические, гидравлические и электрические исполнительные устройства и датчики.

Так, стенды объединяющие несколько подсистем, позволяют решать следующие задачи:

^ разрабатывать и тестировать ходовую часть и системы управления безопасностью без дорогостоящих дорожных испытаний транспортных средств; ^ разрабатывать и проверять алгоритмы с помощью моделей на более ранних этапах разработки;

осуществлять быстрое прототипирование алгоритмов контроллеров; ^ осуществлять программно-аппаратное моделирование электрических и механических компонентов.

Технологии проверки и подтверждения, используемые в процессе разработки, позволяют выявлять ошибки на ранних этапах проектирования. Большинство ошибок возникает на этапе формирования первичной спецификации, однако проявляются только при тестировании. Используя модели для виртуального тестирования на ранних этапах проектирования, специалисты могут сократить время разработки до 50%. Поскольку в том числе операции проверки, подтверждения и тестирования можно выполнять на всех этапах процесса проектирования.

Рисунок 25 - Процесс верификации и валидации при проектировании системы активной безопасности Программно-аппаратное моделирование особенно эффективно в следующих случаях:

> Реальный объект еще не построен.

> Требования безопасности и быстродействия обязывают тестировать систему до привлечения людей к ее реализации.

> Необходимо протестировать систему в закритических состояниях, которые физически сложно и небезопасно воспроизвести.

Оперативное создание прототипов обеспечивает разработчикам САБ быстрый

31

и недорогой способ испытания проекта на ранних стадиях разработки и анализа с целью выбора наилучшего решения. Применение данного метода также позволяет сравнивать различные реализации систем управления на разных элементных решениях, анализировать разработку и оценивать принятые решения. Таким образом, разработчики смогут убедиться в том, что встраиваемая система работает именно так, как и планировалось, перед ее финальной реализацией.

Рисунок 26 - Цикл проектирования автомобиля с применением ВФТМ

План распределения задач по этапам разработки автомобиля

Годы 0> 1 > 2> 3> <> 5

Требования к продукту определение и формулировка Широкомасштабное изучение концепции. Моделирование/расчет динамики автомобиля СА1> Опенка и разработка спецификаций Детали шропакноя разработка: применение C'ADOVlv' САМ пакетов, цифровые макеты, модели, модслированнс.расчст динамики автомобиля Постройка прототипа

Испытание компонентов: моделирование, стендовые испытания, (ВФТМ кни га «кпи-сп». «шасси») I (спытанис и опробирование на автомобиле, субъективная и объективная и негру ментальна* оценка

Опенка и спецификация для разработки серийных образное

Разработка для серийного производства: применение САО'САШСАМ пакетов, цифровые макеты, модели, молелирование.расчет динамики автомобиля Одобрение разработки и изготовления Испытание компонентов: моделирование, стендовые испытания, [НФ1М ккиса «шасси». <• шасси г видите п.») Испытание и опробирование на автомобиле, функциональные испытания, моделирование, стендовые испытания, [НФТМ масса «шасси». «шшси+шШшс.п,») Одобрение запуска ра (работки для запуска в серию Финальная доводка на автомобиле, субъективная и объективная инструментальная оценка

Рисунок 27 - Распределение задач по этапам разработки автомобиля

32

Таким образом, с учетом разработанных принципов виртуально-физической технологии моделирования процесс разработки системы активной безопасности будет выглядеть следующим образом - рисунок 26, а распределение задач по этапам разработки автомобиля - рисунок 27.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Решена проблема создания основ альтернативной методики испытаний тормозной системы автомобиля с АБС и сокращения процесса проектирования за счет повышения качества доводочных испытаний систем активной безопасности автомобилей. Разработанная технология моделирования позволяет совмещать натурные агрегаты систем с математическим описанием динамики протекающих процессов и явлений, которые ведутся в реальном масштабе времени, что позволило при обнаружении ошибки на этапе, верификации системы проведение быстрого прототипи-рования и коррекцию спецификации системы на основе применения ВФТМ. Технологии проверки и подтверждения, используемые в процессе разработки, позволяют выявлять ошибки на ранних этапах проектирования, большинство которых возникает на этапе формирования первичной спецификации, а проявляются только при тестировании, что позволит сократить время разработки до 50%.

2. Выделены основные классы моделей: «Колесо», «Шасси», «Шасси с водителем» и разработана технология создания лабораторных комплексов для проведения виртуальных испытаний как автотранспортного средства в целом, так и его элементов при оснащении системой активной безопасности в соответствии с отечественными и международными нормативными требованиями. Использование системного проектирования и моделирования, позволяет осуществлять построение стендов, объединяющих новые и существующие механические, гидравлические и электрические исполнительные устройства и датчики, что дает возможность решать следующие задачи:

разрабатывать и тестировать системы активной безопасности при существенном сокращении дорогостоящих дорожных испытаний транспортных средств; ^ разрабатывать и проверять алгоритмы с помощью моделей на более ранних этапах разработки;

^ осуществлять быстрое прототипирование алгоритмов контроллеров; ^ осуществлять программно-аппаратное моделирование электрических и механических компонентов;

^ осуществлять выбор структуры управления (схемы установки) тормозами колесной машины с целью формирования её эксплуатационных свойств в режиме торможения.

3. С целью повышения эффективности проведения доводочных испытаний пред-

ложено предварительную часть исследований тормозных свойств АТС проводить в лабораторных условиях методом Виртуально-физической технологии моделирования с использованием V-цикла, позволяющего осуществлять постоянную верификацию и валидацию принятых решений. При этом разработчики могут использовать виртуально-физическое моделирование для расширения возможностей испытания ходовой части и электронных автомобильных систем, отвечающих жестким требованиям сертификации по работоспособности и безопасности, проводить моделирование всей системы, объединяющей несколько различных подсистем, и анализировать ее работоспособность в опасных или трудоемких при проведении натурного тестирования условиях и средах.

4. Установлены требования к математическим моделям при их использовании виртуально-физической технологии моделирования для решения задач при проектировании тормозной системы колесной машины с АБС. В частности:

^ выработаны критерии подбора средств реализации разработанного метода испытаний, которые в отличие от других разработок позволяют не привязываться к конкретным фирмам производителям; ^ доказана необходимость учета в полноприводных вариантах компоновки машин, связи затормаживаемых колес через дифференциал, включая режим торможения двигателем;

^ предложена методика учета изменения коэффициента трения накладок применительно к режимам движения с САБ, обусловленная процессом функционирования АБС, на изменение температуры и коэффициента трения накладок; ^ оценено влияние гироскопического момента, управляемых колес действующего в особых режимах работы САБ при самоповороте управляемых колес, приводящего к изменению нормальных реакций до 10-12%.

5. Разработана и апробирована на различных уровнях реализации для конкретных задач, методика проведения испытаний систем активной безопасности в лабораторных условиях с использованием виртуально-физической технологии моделирования движения автомобиля.

6. Разработана блочно-модульная методика построения и определены средства реализации имитационных стендов, использующих методы виртуально-физической технологии моделирования для режима доводочных испытаний автомобиля с системой активной безопасности в зависимости от задач испытаний. Реализованы варианты макетов имитационных стендов для проведения доводочных испытаний систем активной безопасности.

7. Обоснованы условия и режимы проведения доводочных испытательных работ на имитационном стенде, которые позволяют полностью учесть требования сущест-

вующих регламентов к системам активной безопасности.

8. Доказано, что Виртуально-физическое моделирование позволяет минимизировать стоимость и риски при разработке встроенных систем, что возможно благодаря тестированию, проводимому до этапа дорогостоящих полигонных испытаний. Встраиваемая система подключается к прежней разработке и тестируется в реальном времени. Такой подход позволяет использовать одни и те же модели системного уровня на всех этапах разработки: от проектирования до программно-аппаратного моделирования в реальном времени.

9. В процессе испытаний различных вариантов систем активной безопасности и их элементов, установлено:

а) Испытания агрегатов и блоков ABS показали возможность:

S Реализацию на стенде логики устройства ABS Bosch 5-го и 8-го поколения. S Запуска системы ABS с разработанной логикой, отличной от производителя. S Получены экспериментальные результаты, сопоставимые с производимыми блоками.

S Сравнение и верификация экспериментальных результатов, полученных с собственным алгоритмом и алгоритмом реализуемым Bosch показали полную логическую адекватность, при параметрическом расхождении 5-7%.

S Реализована логика ABS активного контроля торможением соответствующая логике коммерческих блоков, протестированная на уровне моделирования. S Логика ABS реализованная на стенде с реальными агрегатами тормозной системы показала возможность напрямую работать с электромагнитными клапанами из блока ABS-ESP со своей собственной стратегией управления и контроля, отличной от производителя.

б) Испытания агрегатов и блоков ESP показали возможность:

S Реализации на стенде логики ESP с различными алгоритмами управления электромагнитными клапанами.

S Верифицирование функционирования блока 5.7 Bosch при моделировании функций ESP показали полную логическую адекватность, при параметрическом расхождении 6-8%.

S Выявлены проблемы при функционировании гидравлических блоков, если при разработке и испытании систем не учитывались технологические особенности.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Дыгало, В.Г. Виртуально-физическая технология лабораторных испытаний систем активной безопасности автотранспортных средств: монография / В.Г. Дыгало, A.A. Ревин; ВолгГТУ. - Волгоград: РПК "Политехник", 2006. - 316 с.

2. Дыгало, В.Г. Технологии испытания систем активной безопасности автотранспортных средств : монография / В.Г. Дыгало, A.A. Ревин. - М. : Машиностроение, 2012. - 387 с.

35

Публикации, входящие в «Перечень...» ВАК

1. Ревин, A.A. Комплексное моделирование в цикле проектирования автомобилей и их систем / A.A. Ревин, В.Г. Дыгало // Автомобильная промышленность. - 2002. - №11. - С. 29-30.

2. Ревин, A.A. Виртуальные испытания в цикле проектирования автоматизированных торморзых систем / A.A. Ревин, В.Г. Дыгало // Наука - производству. - 2005. - №1. - С. 43-47.

3. Стенд для комплексных лабораторных испытаний ЭГТС / В.Г. Дыгало, A.A. Ревин, А. Сорниотги, М. Веллардо-киа // Автомобильная промышленность. - 2006. - №3. - С. 34-36.

4. Дыгало, В.Г. Виртуально-физическая технология моделирования в цикле проектирования автоматизированных тормозных систем многоцелевых колесных машин / В.Г. Дыгало // Вестник Академии военных наук. - 2011. - № 2 (спецвыпуск). - С. 122-125.

5. Исследование свойств активной безопасности транспортных средств методом имитационного моделирования /

A.B. Тумасов, A.M. Грошев, С.Ю. Костин, М.И. Саунин, Ю.П. Трусов, В.Г. Дыгало // Журнал автомобильных инженеров. - 2011. - № 2. - С. 34-37.

6. Дыгало, В.Г. Разработка алгоритма управления двухпозиционными клапанами для электрогидравлической тормозной системы колесной машины методами виртуально-физической технологии моделирования / В.Г. Дыгало // Вестник Академии военных наук. - 2011. - № 2 (спецвыпуск). - С. 118-122.

7. Дыгало, В.Г. Оценка адекватности при моделировании тормозной динамики автомобиля с АБС / В.Г. Дыгало, В В. Котов, A.A. Ревин // Автомобильная промышленность. - 2012. - № 12. - С. 16-18.

8. Диагностический комплекс для проверки ABS и ESP [Электронный ресурс] / Г.О. Мельников, В.Г. Дыгало, A.A. Ревин, Е С. Ларин // SCI-ARTICLE.RU : электронный периодический научный журнал. - 2013. - № 3 ( ноябрь). - С. 1722. - Режим доступа : http://sci-article.ru/stat.php?i=diagnosticheskiy_kompleks_dlya_proverki_ABS_i_ESP.

9. Дыгало, В.Г. Средства виртуальных испытаний автоматизированных тормозных систем / В.Г. Дыгало, A.A. Ревин // Изв. ВолгГТУ. Сер. Транспортные наземные системы: Межвуз. сб. науч. статей / ВолгГГУ. - Волгоград, 2004. -Вып.1, №3. - С. 67-73.

10. Дыгало, В.Г. Виртуально-физическая технология моделирования в цикле проектирования автоматизированных тормозных систем / В.Г. Дыгало, A.A. Ревин // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы": межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2007. - Вып.2, № 8. - С. 13-15.

11. Дыгало, В.Г. Разработка алгоритма управления двухпозиционными клапанами для электрогидравлической тормозной системы методами виртуально-физической технологии моделирования / В.Г. Дыгало // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 3 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 10. - С. 37-40.

12. Дыгало, В.Г. Разработка эмулятора усилия педали для электрогидравлической тормозной системы методами виртуально-физической технологии моделирования / В.Г. Дыгало, A.A. Ревии // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 3 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 10. - С. 33-37.

13. Дыгало, В.Г. Визуализация процесса торможения на имитационном стенде-тренажере для проведения виртуальных испытаний движения колесной машины в критических режимах / В.Г. Дыгало // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 12. - С. 20-22.

14. Дыгало, В.Г. Виртуально-физическая технология моделирования в V-цикле при проектировании систем активной безопасности / В.Г. Дыгало, A.A. Ревин // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы ". Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 2. - С. 35-38.

15. Дыгало, В.Г. Разработка устройства имитации сигналов колесных датчиков системы активной безопасности /

B.Г. Дыгало // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы ". Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. -Волгоград, 2012. - № 2. - С. 32-35.

16. Комплекс для диагностики систем активной безопасности автомобиля / Г.О. Мельников, Е.С. Ларин, В.Г. Дыгало, A.A. Ревин И Известия ВолгГТУ. Серия "Наземныетранспортные системы". Вып. 6 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013.-№ 10(113).-С. 102-105.

17. Дыгало, В.Г. Общие принципы формирования полунатурных моделей при проектировании тормозной системы автомобиля с АБС / В.Г. Дыгало, A.A. Ревин // Известия ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 7 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 21 (124). - С. 10-16.

18. Дыгало, В.Г. Оценка адекватности при моделировании тормозной динамики автомобиля с пневматической АБС / В.Г. Дыгало, В В. Котов, A.A. Ревин // Известия ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 6 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 10(113).- С. 13-16.

Прочие публикации по теме работы — 44 шт.

Подписано в печать 02.04. 2014 г. Заказ № 127. Тираж 100 экз. Печ. л. 2,0 Уч. изд. л. 2,0. Формат 60 х 84. Бумага офсетная. Печать офсетная. Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. 7.