автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Автоматизированная система измерения углов развала и схождения колес автомобиля

^/шч- о

Красноярский Государственный Технический Университет

Мальчиков Сергей Владимирович

Автоматизированная система измерения углов развала и схождения колес автомобиля

Специальность 05.09.03. электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Научные руководители: кандидат технических наук, доцент Блянкинштейн Игорь Михайлович, Кандидат технических наук, доцент Бронов Сергей Александрович.

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

КРАСНОЯРСК - 1999

*

.у-

' Оглавление

введение..........................................................................................................з

состояние вопроса и задачи исследования.....................6

1.1. Анализ влияния параметров установки колес на

эксплуатационные свойства автомобилей______________________________________________________________________6

1.2. Обзор средств измерения углов установш управляемых колес

автомобиля....................................................................................................17

^ 1.3. Цель и задачииссгодования___________________________________________________________________________________________.24

2. теоретические исследования____________________—--------------------......26

^ 2.1. Автоматизированная система измерения углов развала и

схождения колес автомобили!__________________________________________________________________________________26

2.2. Математическое описание АСИСР.....................................................41

2.3. Синтез системы управлегош следящего привода_______________________________________57

2.3Л. Выбор метода синтеза.__________________________________________________________________________...57

2.3.2. Синтез корректирующего устройства.—-----------------------------------------------64

> 2.4. Программой комплекс для исследования АСИСР.........................79

2.4.1. Структура программного комплекса____________________________________________________________79

| v 2.4.2. Математическое обеспечение программного комплекса.............. 83

„ 2.4.3. Алгоритмы программ_____________________________________________________________________________________________93

2.5. Исследование АСИСР_____________________________________________________________________________________________________________104

2.6. Инженерная методика проектирования АСИСР_________________________________ 118

3. экспериментальные исследования..-----------------------------------------121

3.1. Макет АСИСР.......................................................................................121

3.2. Результаты экспериментальных исследоваюш....______________________________________127

т заключение..............................................................................................138

« литература................................................................................................139

приложение..............................................................................................150

А

введение

Быстрые темпы увеличения автомобильного парка, как за счёт роста производства отечественных автомобилей, так и за счёт импорта, сопровождаются обострением проблемы технического обслуживания автомобилей, производимого с целью обеспечения их надлежащих технико-эксплуатационных параметров. В Российской Федерации эта проблема особенно ощутима, так как традиционно сроки эксплуатации автомобилей в нашей стране во много раз превышают средние мировые, и, кроме того, импортируются в основном бывшие в употреблении автомобили. Большой средний возраставтомобилей негативноотражаетсяна их техническом состоянии, которое тесно связано с такими факторами, как экономичность, безопасность и экологичность, и поэтому должно соответствующим образом контролироваться.

Из выше изложенного следует необходимость совершенствования производственно-технической базы для диагностики обслуживания и ремонта автомобилей.

Эта работа направлена на совершенствование диагностического оборудования для контроля углов установки (развала и схождения) колес - важнейших регулируемых параметров автомобиля, существенно влияющих на его эксплуатационные свойства.

Существующее на сегодняшний день оборудование для контроля углов установки управляемых колес можно разделить на два класса: стенды, работающие в статическом режиме, и стенды, работающие в динамическом режиме. Первые обладают высокой точностью, но низким технологическим быстродействием, вторые — наоборот. Кроме того, существующее высокоточное оборудование является дорогим и предполагает наличие высококвалифицированного персонала, что затрудняет применение его на периферийных станциях технического обслуживания.

В связи с этим представляется актуальной решаемая в данной диссертации задача разработки автоматизированной системы измерения углов, работающей в динамическом режиме, и обладающей высокой точностью при высоком быстродействии.

Целью работы является определение путей повышения точности измерения динамических стендов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

-выбрать принцип построения, автоматизированной системы измерения углов развала и схождения (АСИСР) на основе анализа известных технических решений и возможностей улучшения их характеристик;

- разработать структуру и принцип функционирования АСИСР;

- разработать математические и программные модели элементов и системы в целом;

- выбрать структуру и разработать методику параметрического синтеза регулятора следящего привода;

- исследовать на ЭВМ процессы в АСИСР при различных режимах работы;

- создать экспериментальную установку и провести исследования с целью подтверждения теоретических результатов.

В представленной диссертации еодержатся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на достижение поставленной цели. Из результатов этих исследований можно выделить основные положения, имеющие научную новизну и практическую ценность.

Научная новизна

1. Предложен принцип измерения развала и схождения колес, обеспечивающий требуемую точность измерения при работе в динамическом режиме.

2. Разработаны математические модели автоматизированной системы измерения и её элементов, а также алгоритмы моделирования процессов измерения в основных режимах работы ;

3. Получены результаты аналитических исследований и моделирования, на их основе сделаны выводы о характере процессов в автоматизированной системе измерения и даны рекомендации по обеспечению требуемой точности.

4. Разработана структура автоматизированной системы измерения, а также методика синтеза регулятора, обеспечивающие повышение точности.—

Практическая ценность

1. Предложенный измерительный стенд обладает в 2-3 раза меньшей погрешностью измерения углов схождения и развала колёс по сравнению с существующими стендами (до 4-5 угловых минут).

2. Использование разработанного стенда уменьшает время измерения в 5-8 раз по сравнению с существующими стендами (до 2-3 минут) и повышает производительность труда на поточных линиях с экспресс-диагностикой.

3. Созданное в рамках инженерной методики программное обеспечение позволяет автоматизировать процесс проектирования.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ влияния параметров установки колес на эксплуатационные свойства автомобилей

Одними из важнейших диагностических параметров являются пара-метры углов установки колес автомобилей.

К параметрам установки колес относятся такие параметры, как углы продольного и поперечного наклона шкворня (оси поворота), плечо обкатки, разность углов поворота, а так же углы развала и схождения колес.

Проблеме выбора оптимальных значений дгог углов установки колес ж их влияния на различные эксплуатационные свойства автомобиля посвятили свои работы многие отечественные и зарубежные ученые: Вирабов Р.В,, Гинцбург Л.Л., Ечеистов Ю.А., Иларионов В .А., Каменев ВО., Кислицин Н.М., Кнороз В .И., Леашвили Г .Р., Литвинов А.С., Мирзоев Г.К., Ребедагою В.Н., Ротенберг Р.В., Слуцкин М.М., Степанов В В., Фалькевич Б.С., Фаро-бин Я.Е., Хачатуров А.А., Чудаков Е.А., Berkefeid V., Campbell С., Frienden-stein G„ Kurlay N.S., Pacejka H, и др.

Известно, что управляемые колеса автомобиля устанавливаются с начальным углом развала и схождения, а ось шкворня наклонена в продольном и поперечном направлении, и, кроме того, данные углы изменяются в процессе движения автомобиля. Анализ многочисленных работ [23, 30, 37, 38, 39, 42, 52, 65, 69, 86,95,100, 101,102 ,103,104} показал, шхг необходимость в начальном угле развала управляемых колес транспортного средства объясняется следующими причинами:

- создание на колесе боковой силы, прижимающей его к внутреннему подшипнику ступицы;

-стремление уменьшить плечо обкатки;

-предотвращение отрицательного развала при износе деталей направляющего устройства подвески и рулевого управления;

-обеспечение перпендикулярности положения колес и опорной поверхности, так как поперечный профиль дороги является выпуклым;

-уменьшение сопротивления уводу колес передней оси для обеспечения недостаточной поворачиваемости автомобиля.

- необходимость начального схождения колес объясняется стремлением:

- компенсировать негативное влияние угла развала;

-устранить возможность качения колес с отрицательным схождением, возникающим вследствие податливости подвески и зазоров в рулевом управлении;

-компенсировать тенденцию управляемых колес к расхождению под действием силы сопротивления качению;

-повысить устойчивость прямолинейного движения; -предотвратить возникновение колебаний управляемых колес. Изменению углов установки управляемых колес автомобилей способствует применение в качестве шарниров подвески упругих втулок, которые обеспечивают уменьшение передачи вибрации на кузов автомобиля. С этой же целью все шире стали применяться подрамники. Кроме того, наблюдается рост мощностей двигателей автомобилей и скоростей движения, а при этом изменение углов установки, за счет податливости шарниров подвески, рулевого управления и подрамника, может быть значительным.

Многочисленные исследования [20, 34 ,41 ,44 ,47 ,67 ,69 ,73 ,80, 81, 82, 84, 85, 98, 99, 105, 106, 7, 15, 16, 21, 22, 43, 70, 71, 87,93] показали, что параметры установки колес оказывают значительное влияние на различные эксплуатационные свойства автомобилей.

В работе [81] приводятся сведения о том, что из-за неправильности установки управляемых колес износ шин возрастает на 30 % и более, причем на

величину износа основное влияние оказывает величина боковой силы на колесе. Поэтому автор рекомендует устанавливать колеса с такими углами схождения и развала, при которых обеспечивается минимум боковой силы. Также сделан вывод о том, что уменьшение разности углов поворота передних колес, определяемое кинематикой механизма поворота, улучшает устойчивость автомобиля и уменьшает износ шин при криволинейном движении.

Исследованиями Платонова В.Ф. и Леашвили Г.Р. [67] установлено, что наибольшее влияние на износ пшн и топливную экономичность оказывает величина схождения передних колес, причем отклонение от оптимума на 2...3 мм (10... 18') увеличивает износ шин в 1,5...2 раза и способствует росту расхода топлива примерно на 10%. Авторы так же отмечают, что неопти-мальная установка управляемых колес влечет за собой не только увеличение их износа, но и износа ведущих колес из-за роста сопротивления движению.

Авторы работы [6] исследовали влияние наклона плоскости колеса к поверхности дороги на износ шин при движении автомобиля на повороте. Было установлено, что наклон колеса к центру поворот за счет увеличения продольного наклона шкворня с 2 градусов до 8 градусов 30 минут вызвал уменьшение темпов износа шин управляемых колес в 3 раза. Авторы объясняют этот факт прежде всего тем, что плоскость качения колеса по отношению к плоскости опорной поверхности, в случае движения автомобиля по кривой, имеет меньший угол наклона, что приближает радиус качения эластичного колеса к «свободному» радиусу,

В работе [47] проведены комплексные исследования влияния углов развала и схождения колес на износ шин, и было установлено, что оптимальными параметрами установки колес являются нулевые значения. Наличие развала и схождения способствует росту износа, причем схождение влияет значительно сильнее.

Кислицин Н.М. [41] исследовал влияние углов развала и схождения управляемых колес автомобиля на износ шин и оценивал его как по силам и

моменту, возникающим в пятне контакта, так и по величине проскальзывания элементов шины по опорной поверхности. Основной причиной износа рассматривалось проскальзывание. Замер проскальзывания элементов шины в пятне контакта производился с помощью специальных игл. При рассмотрении результатов данной работы был сделан вывод, что проскальзывание, вызванное развалом колес, можно компенсировать назначением колесу соответствующего угла схождения.

Это высказывание подтверждает автор работ [30, 73], установивший, что для каждого угла развала можно подобрать такой угол схождения, при котором будет наименьшее сопротивление качению колеса и наименьший износ шин.

Авторами работ [44, 73, 84, 85] установлено, что развал колес повышает сопротивление качению и вызывает неравномерный износ протектора по его ширине вследствие перераспределения реакций дороги в пятне контакта. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что колеса должны устанавливаться вертикально. Однако в процессе эксплуатации колёса приобретают Отрицательный развал.

Совместное влияние развала и схождения на износ шин передних колес исследовал Степанов В.В. [80] на автомобиле ЗИЛ-133, у которого серийный мост был заменен опытным. Это позволило изменять развал и схождение независимо друг от друга. Обработка результатов эксперимента показала, что схождение оказывает большее влияние на износ, чем развал колеса.

Тепер P.A. в работе [82] привел результаты экспериментального исследования влияния развала и схождения управляемых колес на их стабилизацию и устойчивость прямолинейного движения. По результатам испытаний построен график зависимости амплитуды угловых колебаний управляемых колес от угла развала. Из графиков видно, что изменение развала от -2 градусов до +4 градусов вызывает некоторое снижение амплитуды колебаний, а дальнейший рост угла развала приводит к ее увеличению.

Ребедайло В.Н. [69] приходит к аналогичным выводам, что с ростом схождения колес растет их склонность к колебаниям. На основании результатов исследования В.Н. Ребедайло указывает на существенное влияние развала и схождения колес на устойчивость их прямолинейного движения, однако влияние схождения меньше, чем развала. Предлагается углы развала и продольного наклона шкворня выбирать из условия устойчивости движения управляемых колес, а схождение использовать для повышения устойчивости в сочетании с развалом, не нарушая их сочетания, обеспечивающего минимальный износ шин.

Экспериментальная оценка результатов теоретического исследования проводилась на автомобиле КрАЗ-255Б. Автор ограничился рассмотрением только прямолинейного движения автомобиля, имеющего зависимую подвеску.

Начальное положение колес и его изменение в процессе движения оказывает значительное влияние на управляемость и устойчивость автомобиля. Например, в работе [20] дается сравнение частотных характеристик угловых колебаний автомобиля вокруг вертикальной оси относительно угла поворота колес в случае изменения первоначального угла схождения задних колес. При положительном схождении колес усиление снижается, задержка по фазе Сокращается, а боковая реактивная сила задних колес возрастает. При отрицательном схождении задних колес усиление возрастает, причем в большей степени, задержка по фазе тоже увеличивается, склонность автомобиля к недостаточной поворачиваемости в значительной мере уменьшается, в связи с чем автомобиль теряет устойчивость. В этой работе приведены также экспериментальные данные по влиянию начального угла развала задних колес При отрицательном начальном угле развала задних колес усиление уменьшается, задержка по фазе сокращается, а эквивалентная боковая реактивная сила возрастает.

Также проводились исследования [98] но оценке влияния углов установки передних колес на устойчивость и управляемость. Отмечаются удовлетворительные параметры управляемости и устойчивости автомобиля с повышенным схождением передних колес, так как силы и моменты, возникшие вследствие относительно больших первоначальных углов схождения значительно больше других сил и моментов. Как чрезмерное, схождение, так и обратное расхождение, увеличивают износ шин по сравнению с обычным в 2...5 раз.

Одними из самых фундаментальных в вопросе исследования влияния параметров установки колес на устойчивость и управляемость автомобиля считаются работы Ruralay [105] и Beikefeld V. [99]. В этих исследованиях применены сложные математические модели автомобиля с учетом эластоки-нематических Связей в подвеске и рулевом управлении. В первой работе описана модель автомобиля с передней независимой подвеской на двух поперечных рычагах и как частный случай этой подвески — стойка McPhrson. Приводятся модели реечного рулевого управления, а также управления с сошкой и маятниковым рычагом. Описывается задняя подвеска на косых рычагах. В этой модели не учитываются