автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Методика оценки эффективности действия антиблокировочных систем на автомобилях, оснащённых шипованными шинами

На правах рукописи

ПОПОВ Николай Викторович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ АНТИБЛОКИРОВОЧНЫХ СИСТЕМ НА АВТОМОБИЛЯХ, ОСНАЩЁННЫХ ШИПОВАННЫМИ ШИНАМИ

05.05.03 — «Колёсные и гусеничные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

МОСКВА-2013

005540263

005540263

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Автомобили»

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент

Порватов Игорь Николаевич

Официальные оппоненты: Кисуленко Борис Викторович

доктор технических наук, Заслуженный машиностроитель РФ, ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», заместитель генерального директора

Смирнов Александр Анатольевич

кандидат технических наук,

ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана»,

доцент кафедры «Колёсные машины»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский

государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Защита состоится «17» декабря 2013 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.126.04 при ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим представлять в адрес диссертационного совета.

Телефон для справок: (499) 155-93-24.

Автореферат разослан «'/3 » ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Фай,/

А.А. Хазиев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Широкий диапазон климатических условий в Российской Федерации приводит к необходимости эксплуатации автомобильного транспорта в различных погодных и дорожных условиях. Часто встречающиеся колебания температуры воздуха около нулевой отметки создают условия для возникновения гололедицы. Ошиповка является наиболее распространённым способом увеличения сцепных свойств шины на льду.

Антиблокировочная система (АБС) стала практически неотъемлемой частью активной безопасности современного автомобиля. Преимущества её в настоящее время хорошо известны. Установка АБС на легковых автомобилях не является обязательной в Российской Федерации (РФ), однако практически все ведущие производители легковых автомобилей комплектуют свои изделия АБС серийно или в качестве опции.

Таким образом, большой парк автомобилей, оснащённых АБС, эксплуатируется в зимний период с шипованными шинами. При этом оценка эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами, не проводилась. Отсутствует также методика проведения подобных испытаний.

Цель работы

Целью работы является разработка методики оценки эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами.

Задачи работы

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих

задач:

1. Обоснование возможности снижения эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами. Подготовка ме-

тодики определения эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами;

2. Подготовка и проведение экспериментальных заездов. Обработка и анализ результатов испытаний;

3. Определение <р — S диаграммы шипованной шины на льду по результатам экспериментальных данных;

4. Оценка эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шинами различной конструкции;

5. Разработка рекомендаций по совершенствованию алгоритмов управления АБС.

Объект исследования

Тормозные свойства автомобиля категории Mi, оснащённого АБС и шипованными шинами.

Предмет исследования

Динамические процессы движения легкового автомобиля, оснащённого шинами различной конструкции, происходящие при его торможении.

Методы исследования

В диссертационной работе использованы экспериментальные методы, методы математического анализа, в том числе численные методы, методы программирования. Экспериментальные исследования проводились в условиях Испытательного центра НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ». Расчётно-экспериментальное моделирование проводилось с использованием программ MS Excel, TurboLab, Delphi.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов работы обеспечивалась применением специ-

ального измерительного оборудования высокой точности, тщательным контролем условий проведения испытательных заездов, многократным повторением испытаний, использованием статистических методов анализа данных.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы заключается:

- в получении экспериментальных характеристик зависимости продольного коэффициента сцепления от относительного скольжения для шипованных шин;

- в анализе влияния установки шипованных шин на эффективность действия АБС на различных типах опорных поверхностей.

Практическая значимость

Результаты работы могут быть использованы для совершенствования алгоритмов функционирования систем активной безопасности, воздействующих на тормозные механизмы. Результаты диссертационной работы представляют интерес для разработчиков АБС и их компонентов, а также фирм-разработчиков шин. Предложена концепция конструкции устройства для идентификации типа шины, установленной на колесе транспортного средства, учитывающая перспективные требования Технического регламента Таможенного союза.

Разработанный принцип построения шинного тестера на базе легкового автомобиля может быть использован для определения <р — Б диаграммы в дорожных условиях без применения специальных шинных тестеров (в том числе и для шипованных шин). Использованные при построении описанного шинного тестера методы могут применяться при исследовании вопросов эффективности действия АБС на различных дорожных покрытиях, включая специальные покрытия в летних условиях.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы используются в практической деятельности фирмы ООО «Йокохама Рус» при разработке новых моделей и доводке для российских условий эксплуатации шин марки Yokohama.

Установленные в работе экспериментальные зависимости внедрены на кафедре «Автомобили» МАДИ и используются при проведении учебных занятий со студентами специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство», а также при курсовом и дипломном проектировании.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика испытаний эффективности действия АБС автомобилей категорий Mi, Ni (согласно Приложению № 1 к ТРоБКТС), оснащённых шипованными шинами;

2. Метод определения <р — S диаграммы с помощью автомобиля — шинного тестера;

3. Результаты экспериментальных и аналитических исследований.

Апробация работы

Основные результаты исследований были доложены, обсуждены и одобрены на 70-й и 71-й научно-методических и научно исследовательских конференциях МАДИ, на 77-й (МАМИ, Москва, 2012), 78-й (НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», Дмитров, 2012), 79-й (НГТУ им. Алексеева, Нижний Новгород, 2012), 82-й (НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», Дмитров, 2013) и 83-й (НИ ИрГТУ, Иркутск, 2013) Международных научно-технических конференциях ААИ, Международной научно-практической конференции (ВолгГТУ, Волгоград, 2013).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 7 статей в журналах из перечня, рекомендованного ВАК.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка условных обозначений, списка литературы (137 наименований) и пяти приложений. Работа содержит 152 страницы машинописного текста, 26 таблиц и 55 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показывается актуальность работы, формулируется цель работы, раскрывается научная новизна и практическая значимость работы, даётся общая характеристика работы, приводятся сведения об её апробации и реализации результатов, представляются положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ конструкций и рабочих процессов современных АБС, применяемых на автомобилях с гидравлическим приводом рабочей тормозной системы.

Анализируются законодательные требования, предъявляемые к применению зимних шипованных шин в различных странах.

Описываются обязательные в РФ требования к АБС в соответствии с Правилами ЕЭК ООН № 13. Дается обзор современной испытательной базы в РФ и за рубежом для проведения проверок автомобилей с АБС. В качестве дорожного покрытия с низким коэффициентом сцепления в России и за её пределами используется увлажнённый базальт, на котором невозможно испытывать автомобили, оснащённые шипованными шинами.

Рассматриваются методы определения зависимостей коэффициентов сцепления от продольного скольжения (<р — Б диаграммы) на шинном тестере и на барабанном стенде.

Вопросами тормозной динамики автомобиля, исследованиями рабочих

процессов тормозных и антиблокировочных систем успешно занимались многие учёные: Ахметшин А.М., Барашков A.A., Бойко A.B., Высоцкий М.С., Гуревич JI.B., Дыгало В.Г, Клименко В.И., Мальцев Н.Г., Меламуд P.A., Науменко Б.С., Нефедьев Я.Н., Никульников Э.Н., Попов А.И., Портня-гин Е.М., Пчелин И.К., Сальников В.И., Селифонов В.В., Соцков Д.А., Сорокин В.Г., Ревин А.А, Федотов А.И., Фрумкин А.К., Mitschke М. и др.

В области оптимизации сцепления пневматической шины автомобильного колеса с опорной поверхностью работали Балабин И. В., Балакина Е.В., Бухин Б.Л., Давыдов А.Д., Дик А.Б., Зотов Н.М, Кнороз В. И., Кузнецов Ю.В., Малюгин П.Н., Петров В.А., Ракляр A.M., Томило Э. А., Морозов М.В. и др.

Установлено, что для шипованных шин (р - S диаграммы не определялись. Есть основания полагать, что характер работы шипованной шины на льду приведет к значительному отличию её <p—S диаграммы от q> — S диаграммы нешипованной шины. Это связано с тем, что для шины лёд является твёрдым покрытием, а для шипов противоскольжения деформируемым. На деформируемых грунтах максимум <р - S диаграммы достигается при 100%-ном скольжении. Следовательно, точка максимума коэффициента сцепления в продольном направлении должна сместиться в сторону больших скольжений.

Данное обстоятельство может привести к снижению эффективности действия АБС при установке на автомобиль шипованных шин. Упоминаний о дорожных испытаниях взаимодействия АБС с зимними шипованными шинами в открытых источниках не обнаружено. Методики проведения подобных испытаний не разрабатывались.

По результатам проведённого обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе разрабатывается методика оценки эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами. Методика основывается на принципах, изложенных в приложении 13 к Правилам ЕЭК ООН № 13.

Оценка эффективности действия АБС проводится в отношении реализуемого сцепления е и осуществляется сравнением величины достигнутого замедления автомобиля при торможении с АБС, работающей в режиме непрерывной цикличности, и теоретически возможного максимального замедления автомобиля:

* = (1)

где j3.iL — замедление автомобиля с АБС;

)-м— теоретически возможное максимальное замедление автомобиля;

в — реализуемое сцепление.

Для определения реализуемого сцепления необходимо совершить следующие заезды:

1) торможение с АБС, работающей в режиме непрерывной цикличности -для определения/^,;

2) торможение передней осью (задние тормозные механизмы отключены) без АБС с постепенным увеличением давления в тормозном трубопроводе — для определения критического скольжения передних колёс (соответствующих коэффициенту сцепления (рх1м)\

3) торможение задней осью (передние тормозные механизмы отключены) без АБС с постепенным увеличением давления в тормозном трубопроводе - для определения критического скольжения передних колёс (соответствующих коэффициенту сцепления (рх2м).

Особенности определения коэффициентов сцепления <рхп! и <Рх2М- при обработке результатов испытательных заездов торможения одной осью рассматриваются участки с одинаковым скольжением обоих тормозящих колёс и анализируется достигнутое замедление. Массив данных, состоящих из замедлений и соответствующих им скольжений, составляет необходимую базу для построения <р — 5 диаграммы и позволяет установить коэффициенты сцепления

<РхШ И Ц>х2М-

Теоретически возможное по условиям максимального сцепления колёс замедление автомобиля ^определяется по формуле:

Jm — ~ g> (¿)

ч,

где Rztdyn - нормальная реакция опорной поверхности на колёса передней оси в динамических условиях при включённой АБС;

RzMyn — нормальная реакция опорной поверхности на колёса задней оси в динамических условиях при включённой АБС;

<Рх\м~ максимальный коэффициент продольного сцепления колёс передней оси, соответствующий критическому относительному скольжению;

<Рх2М - максимальный коэффициент продольного сцепления колёс задней оси, соответствующий критическому относительному скольжению;

Ga - вес автомобиля;

g — ускорение свободного падения

(g=9,81 м/с2).

Также во второй главе устанавливаются требования к измерительному и регистрирующему оборудованию, приводятся необходимые условия проведения испытаний. В рамках разрабатываемой методики в качестве опорной поверхности при испытаниях используется ровный лёд. Так как лёд не является стабильным покрытием, то для достижения приемлемой повторяемости результатов особые требования устанавливаются к тождественности состояния среды испытаний.

В третьей главе описывается подготовка и проведение экспериментального исследования. В качестве объекта испытаний использовался легковой переднеприводный автомобиль FORD Focus I, оснащённый АБС.

На автомобиль была установлена следующая измерительная и регистрирующая аппаратура:

- измерительная система для проведения испытаний на ускорение и тор-

можение транспортных средств DB-PRINT типа «пятое колесо» фирмы «Peiseler GmbH», Германия;

- выносные датчики угловой скорости (частоты вращения) колеса BDG 6360 фирмы BALLUFF, Германия;

- датчик усилия нажатия на педаль тормоза CPFTA фирмы CORRSYS-DATRON, Германия;

- компактная мобильная система сбора и обработки данных DAS-3 фирмы CORRSYS-DATRON, Германия.

Выносные датчики BDG 6360 были установлены на каждое колесо автомобиля. Компактная мобильная система сбора и обработки данных DAS-3 служит для синхронизированной записи и обработки регистрируемых параметров. Схема размещения испытательного и регистрирующего оборудования на автомобиле представлена на рис. 1.

Испытаниям был подвергнут автомобиль, оснащаемый поочередно двумя комплектами зимних шин марки Yokohama модели iceGUARD Stud IG35 размерности 185/70 R14 92Т. Комплекты зимних шин отличаются друг от друга наличием или отсутствием шипов противоскольжения.

Также испытания проводились на автомобиле, оснащённом летними шинами марки Kleber модели Dynaxer NP2 размерности 185/70 R14 88Т.

Для обеспечения затормаживания только передней или задней оси автомобиля при проведении испытаний применялись зажимы для пережатия тормозных шлангов. Отключение АБС производилось демонтажем плавких электрических предохранителей.

При торможении одной осью без АБС автомобиль с испытательной аппаратурой выполняет функцию шинного тестера.

Программа испытаний включала в себя проведение следующих видов испытательных заездов:

1. торможение на льду (все типы шин);

2. торможение на укатанном снеге (все типы шин);

Рис. 1. Схема размещения измерительной и регистрирующей аппаратуры Условные обозначения: 1 — аккумуляторная батарея; 2 — блок распределения питания Small 12V Power Distributor Box; 3 - компактная мобильная система сбора и обработки данных; 4 - блок управления и отображения системы DAS-3; 5 - датчик скорости и пройденного пути системы типа «пятое колесо»; 6 - блок обработки и отображения информации системы типа «пятое колесо»; 7 - выносной датчик угловой скорости колеса; 8 - датчик усилия нажатия на педаль тормоза; 9 - блок индикации величины усилия нажатия на педаль тормоза

3. торможение на зимнем сухом асфальте (все типы шин);

4. торможение на увлажнённом базальте (зимние нешипованные и летние шины).

Лёд был наморожен на прямолинейном горизонтальном участке (уклон

до 1%) для оценки тормозных свойств автомобилей полигона НИЦИАМТ. Стабильность результатов обеспечивалась тщательным соблюдением тождественности условий проведения испытаний.

В четвёртой главе приводятся сведения об особенностях обработки и анализа результатов экспериментального исследования. Результаты на эффективность торможения в различных условиях представлены в таблице 1.

Таблица 1

Сводные результаты испытаний на эффективность торможения

со скорости 45 км/ч до 15 км/ч

Режим торможения | Тип шин | Тормозной путь, м | Замедление, м/с2

Опорная поверхность - зимний сухой асфальт

с АБС летние 9,64 7,20

нешипованые 10,95 6,34

шипованные 11,05 6,28 !

прерывистое летние 12,65 5,49

нешипованые 12,04 5,77

шипованные 11,85 5,86

с блокировкой летние 10,22 6,79

нешипованые 11,45 6,07

шипованные 11,89 5,84

Опорная поверхность -укатанный снег

с АБС летние 37,35 1,86

нешипованые 24,74 2,81

шипованные 21,13 3,29

' прерывистое летние 43,73 1,59

нешипованые 23,53 2,95

шипованные 24,20 2,87

с блокировкой летние 39,99 1,74

нешипованые 19,91 3,49

шипованные 19,78 3,51

Опорная пове рхность - лёд

с АБС летние 51,28 1,35

нешипованые 48,23 1,44

шипованные 40,03 1,73

прерывистое летние 64,20 1,08

нешипованые 61,99 1,12

шипованные 44,45 1,56

с блокировкой летние 67,76 1,02

нешипованые 60,81 1,14

шипованные 42,89 1,62

Анализ результатов в таблице 1 показывает, что современная АБС обеспечивает эффективность торможения выше, чем с заблокированными колёсами, практически на всех твёрдых опорных поверхностях и с различными типами шин при сохранении курсовой устойчивости. Прерывистое торможение позволяет сохранить курсовую устойчивость, но, несмотря на высокую квалификацию экспертов-испытателей, не позволяет обеспечить большую эффективность торможения.

Результаты испытаний эффективности действия АБС в различных условиях представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты испытаний эффективности действия АБС на льду

Коэффициент I (/>Х1М <Р*т ]зм, м/с2 .¡М, м/с2 £

Опорная поверхность - лёд

Нешипованные шины 0,163 0,179 1,658 1,457 0,88

Шипованные шины 0,210 0,214 2,074 1,677 0,81

Опорная поверхность -увлажнённый базальт

Нешипованные шины 0,261 0,279 2,623 2,328 0,89

Летние шины 0,281 0,286 2,774 2,525 0,91

Результаты испытательных заездов на льду показали снижение эффективности действия АБС в отношении реализуемого сцепления при установке зимних шипованных шин на 8 % (с є=0,88 до є=0,81) по отношению к торможению с нешипованными шинами.

Данный факт создает существенные предпосылки для сокращения тормозного пути путем совершенствования алгоритма работы АБС.

Результаты испытательных заездов на увлажнённом базальте показали, что эффективность АБС на автомобиле с летними шинами (е=0,91) ненамного выше, чем на автомобиле с зимними нешипованными шинами (е=0,89). Данное расхождение объясняется настройкой алгоритма работы АБС на торможение с летними шинами.

По результатам испытательных заездов были построены ¡р — 5 диаграммы для зимних шипованных и нешипованных шин на льду (рис. 2, 3).

0,25

К 0,20

Г 0,15

5

^ 0.10 #

о

5 0,05

Шип ован ная шина

шжя ■ ЭГм»и» ш/к к в ж л я ♦ «.........

/♦ \ \Не ■ шипо ванн ая Ш1 1на

30 40 50 Є0 70

Скольжение, %

80 90 100

Рис. 2. (р — 5 диаграмма для зимних шипованных и нешипованных шин передних колёс > - результаты испытаний шипованной шины; ♦ - результаты испытаний нешипованной шины

К 0,20

х

5 Ц

<а

0,15

о

5

^ 0,10 ■&

<ч

5 0,05

Ш ипов анна у шин а

/

■ 'ля Я

*/• I + 4 •

\не шипо ванн ая ші> іна

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Скольжение, %

Рис. 3. (р—5 диаграмма для зимних шипованных и нешипованных шин задних колёс ■ — результаты испытаний шипованной шины; ♦ — результаты испытаний нешипованной шины

Анализ построенных диаграмм показывает, что, как и теоретически предполагалось, для шипованной шины происходит смещение максимума <р — S диаграммы в сторону больших относительных скольжений. Также следует отметить различие вида д> — S диаграмм шипованных шин, построенных по передним и задним колёсам. Для задних колёс характерна реализация максимального коэффициента сцепления в большем диапазоне относительных скольжений. Это объясняется тем, что задние колёса катятся по образованной передними шинами ледяной крошке. Ледяная крошка создаёт для задних колёс условия качения схожие с качением по деформируемому грунту.

В пятой главе описывается концепция конструкции устройства для идентификации типа шины, установленной на колесе транспортного средства. Даются рекомендации по применению этого устройства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В открытых источниках не обнаружено сведений о зависимости коэффициента сцепления в продольном направлении от скольжения (tp - S диаграмма) для шипованной шины на льду.

2. Выдвинуто и подтверждено предположение об изменении скольжения, соответствующего максимуму коэффициента сцепления (критического скольжения), при ошиповке шины. Критическое скольжение шин Yokohama iceGUARD Stud IG35 при ошиповке увеличилось с 7,3% до 21,6%.

3. В связи с изменением критического скольжения при ошиповке шины эффективность действия АБС может ухудшаться.

4. Разработана новая методика оценки эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами. Экспериментально подтверждено снижение эффективности действия АБС автомобиля FORD Focus I, оснащённого шинами Yokohama iceGUARD Stud IG35. Реализуемое АБС сцепление на льду уменьшилось с е=0,88 до е=0,81 при оснащении автомобиля шипованными шинами.

- 175. Разработан метод определения <р — S диаграммы с использованием легкового автомобиля в качестве шинного тестера. С его помощью экспериментально получены <р - S диаграммы шины Yokohama iceGUARD Stud IG35 в шипованном и нешипованном состоянии на льду, в нешипованном состоянии на увлажнённом базальте. Также определена <р - S диаграмма летней шины Kleber Dynaxer NP2 на увлажнённом базальте.

6. Разработана концепция конструкции устройства для идентификации типа шины, установленной на колесе транспортного средства. Подана заявка на выдачу патента на изобретение per. № 2013117610 (входящий №ФИПС 026058) от 17.04.2013. Приведены рекомендации по совершенствованию алгоритмов работы АБС с использованием разработанного устройства.

7. Эффективность действия АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами, должна проверяться при испытаниях. Для проведения таких испытаний рекомендовано использовать разработанную в диссертации методику.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Кристальный, С.Р. Проблемы функционирования АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами / С.Р. Кристальный, Н.В. Попов, В.А. Фомичёв // Автомобильная промышленность. - 2012. - № 8. - С. 20-22.

2. Кристальный, С.Р. Проблемы эффективности действия антиблокировочных систем автомобилей, оснащенных средствами противоскольжения / С.Р. Кристальный, Н.В. Попов, В.А. Фомичёв // Автотранспортное предприятие. - 2012. — №5. - С. 44-49.

3. Кристальный, С.Р. Проблемы функционирования АБС на автомобилях, оснащённых средствами противоскольжения / С.Р. Кристальный, Н.В. Попов, В.А. Фомичёв // Вестник МАДИ.-2012.-№2 (29). - С. 10-17.

4. Кристальный, С.Р. Проблемы эффективности действия антиблокировочных систем автомобилей, оснащенных шипованными шинами/ С.Р. Кристальный, Н.В. Попов, В.А. Фомичёв // Журнал автомобильных инженеров. -2012. -№2 (73). - С. 32-37.

5. Кристальный, С.Р. Шинный тестер для исследования характеристик шипованных шин / С.Р. Кристальный, В.Н. Задворнов, Н.В. Попов, В.А. Фомичёв // Вестник МАДИ. -2013.-№3(34).-С. 10-17.

6. Кристальный, С.Р. Шинные тестеры. Перспектива и альтернатива. / С.Р. Кристальный, В.Н. Задворнов, Н.В. Попов, В.А. Фомичёв // Автотранспортное предприятие. -2013,-№9.-С. 37-44.

7. Кристальный, С.Р. Принцип создания шинного тестера на базе серийного легкового автомобиля / С.Р. Кристальный, В.Н. Задворнов, Н.В. Попов, В.А. Фомичёв // Журнал автомобильных инженеров. -2013. -№ 5 (82). - С. 38-45.

Статьи в прочих научных изданиях:

8. Кристальный, С.Р. Результаты испытаний эффективности действия АБС на автомобиле, оснащённом шипованными шинами / С.Р. Кристальный, Н.В. Попов // Прогресс транспортных средств и систем — 2013: Материалы Международной научно-практической конференции, 24-26 сентября 2013 г. / ВолгГТУ, Волгоград, 2013. - С. 59-60.

9. Кристальный, С.Р. Создание шинного тестера на базе легкового автомобиля / С.Р. Кристальный, В.Н. Задворнов, Н.В. Попов, В.А. Фомичёв // Особенности эксплуатации автотранспортных средств в дорожно-климатических условиях Сибири и крайнего севера. Проблемы сертификации, диагностики, контроля технического состояния: материалы 83-й междунар. науч.-техн. конференции ААИ (Иркутск, 18-20 сентября, 2013 г.) / под общ. ред.

A.И. Федотова, A.C. Потапова. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. - 392 с. - С. 74-90.

10. Кристальный, С.Р. Проблемы взаимодействия шипованных шин с антиблокировочными системами автомобилей / С.Р. Кристальный, Н.В. Попов, В.А. Фомичёв // СФ Си-6АДИ - Совершенствование эксплуатационных свойств транспортно-технологических машин и комплексов: материалы Первой международной научно-практической конференции (г. Сургут, 18-20 апреля 2012 г.). - Сборник научных трудов. - Омск: СибАДИ, 2012. - С. 65-70.

11. Кристальный, С.Р. Проблемы эффективности действия антиблокировочных систем на автомобилях, оснащенных шипованными шинами / С.Р. Кристальный, Н.В. Попов,

B.А. Фомичёв // Современные тенденции развития автомобильной техники. — Сборник научных трудов. - М.: МАДИ, 2012. - С. 45-53.

Подписано в печать: 12.11.2013 Тираж: 100 экз. Заказ № 1026 Объем: 1,0 усл.п.л. Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)»

04201450528 На правах рукописи

ПОПОВ НИКОЛАИ ВИКТОРОВИЧ

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ АНТИБЛОКИРОВОЧНЫХ СИСТЕМ НА АВТОМОБИЛЯХ, ОСНАЩЁННЫХ ШИПОВАННЫМИ ШИНАМИ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Порватов И.Н.

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...............9

1.1. Антиблокировочные системы автомобилей с гидравлическим приводом рабочей тормозной системы. Обзор конструкции..........................9

1.2. Современные средства противоскольжения............................................22

1.3. Анализ законодательных требований к применению зимних шипованных шин в различных странах...........................................................31

1.4. Антиблокировочные системы. Методы и средства испытаний.............35

1.5. Методы определения ф - S диаграмм.......................................................47

1.6. Анализ функционирования антиблокировочных систем

на автомобилях, оснащённых шипованными шинами...................................52

1.7. Выводы по главе..........................................................................................58

2. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ АНТИБЛОКИРОВОЧНЫХ СИСТЕМ НА АВТОМОБИЛЯХ, ОСНАЩЁННЫХ ШИПОВАННЫМИ ШИНАМИ............................................59

2.1. Обоснование методики оценки эффективности действия антиблокировочных систем на автомобилях, оснащённых шипованными шинами......................................................................................59

2.2. Описание методики оценки эффективности действия антиблокировочных систем на автомобилях, оснащённых шипованными шинами......................................................................................66

2.3. Выводы по главе..........................................................................................74

3. ПОДГОТОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................................75

3.1. Цели и задачи экспериментального исследования..................................75

3.2. Объект испытаний.......................................................................................76

3.3. Измерительная и регистрирующая аппаратура.......................................81

3.4. Определение весовых и геометрических характеристик испытательного транспортного средства........................................................98

3.5. Программа испытаний..............................................................................104

3.6. Выводы по главе........................................................................................106

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.............107

4.1. Анализ эффективности торможения различными способами..............108

4.2. Анализ эффективности действия АБС при торможении на льду........115

4.3. Анализ эффективности действия АБС при торможении

на увлажнённом базальте................................................................................123

4.4. Выводы по главе........................................................................................128

5. КОРРЕКЦИЯ АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АБС................129

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ......................................................................................137

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ........................................................139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ А Протоколы определения весовых характеристик автомобиля...........................................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Кабели соединительные. Комплект сборочных чертежей...............................................................................................................155

ПРИЛОЖЕНИЕ В Характеристики испытательных заездов и условия их проведения.....................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Графические результаты отдельных видов испытаний ..165

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акты внедрения...................................................................177

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Широкий диапазон климатических условий в Российской Федерации приводит к необходимости эксплуатации автомобильного транспорта в различных погодных и дорожных условиях. Зимой почти на всей территории страны устанавливается устойчивый снежный покров. Часто встречающиеся колебания температуры воздуха около нулевой отметки создают условия для возникновения гололедицы. Бесперебойное и безопасное движение транспортного потока в таких условиях во многом зависит от активной безопасности автомобилей. Самой популярной и доступной мерой, которую применяют для увеличения активной безопасности автомобиля, является применение специальных зимних шин. Специальные зимние шины (в том числе шипованные) находят применение в основном на легковых и легких грузовых автомобилях. Автотранспортные средства других категорий, эксплуатируемые на территории Российской Федерации (РФ), по экономическим соображениям зимними, а тем более шипованными, шинами оснащаются крайне редко. Статистические данные показывают, что доля легковых автомобилей, оснащаемых в соответствующее время года шипованными шинами, составляет порядка 60% [48, 49].

Большим шагом в развитии активной безопасности автомобиля стало внедрение в конструкцию тормозного управления антиблокировочных систем (АБС). В настоящее время в РФ применение АБС на автомобилях категорий Мь N1 (согласно Приложению № 1 к Техническому регламенту о безопасности колесных транспортных средств (ТРоБКТС)) не является обязательным. Однако практически все ведущие изготовители легковых автомобилей устанавливают АБС серийно или в качестве опции.

Таким образом, большой парк автомобилей, оснащённых АБС, эксплуатируется в зимний период с шипованными шинами. При этом оценка эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами, не проводилась. Отсутствует также методика проведения подобных испытаний.

Цель работы

Целью работы является разработка методики оценки эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Обоснование возможности снижения эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами. Подготовка методики определения эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шипованными шинами;

2. Подготовка и проведение экспериментальных заездов. Обработка и анализ результатов испытаний;

3. Определение ср - Б диаграммы шипованной шины на льду по результатам экспериментальных данных;

4. Оценка эффективности действия АБС на автомобилях, оснащённых шинами различной конструкции;

5. Разработка рекомендаций по совершенствованию алгоритмов управления АБС.

Объект исследования

Тормозные свойства автомобиля категории Мь оснащённого АБС и шипованными шинами.

Предмет исследования

Динамические процессы движения легкового автомобиля, оснащённого шинами различной конструкции, происходящие при его торможении.

Методы исследования

В диссертационной работе использованы экспериментальные методы, методы математического анализа, в том числе численные методы, методы программирования. Экспериментальные исследования проводились в условиях Испытательного центра НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ». Расчётно-экспериментальное моделирование проводилось с использованием программ MS Excel, TurboLab, Delphi.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов работы обеспечивалась применением специального измерительного оборудования, тщательным контролем условий проведения испытательных заездов, многократным повторением испытаний, использованием статистических методов анализа данных.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы заключается:

- в получении экспериментальных характеристик зависимости продольного коэффициента сцепления от относительного скольжения для шипованных шин;

- в анализе влияния установки шипованных шин на эффективность действия АБС на различных типах опорных поверхностей.

Практическая значимость

Результаты работы могут быть использованы для совершенствования алгоритмов функционирования систем активной безопасности, воздействующих на тормозные механизмы. Результаты диссертационной работы представляют интерес для разработчиков АБС и их компонентов, а также фирм-разработчиков шин. Предложена концепция конструкции устройства для идентификации типа шины, установленной на колесе транспортного средства, учитывающая перспективные требования Технического регламента Таможенного

союза 018/2011 (TP ТС), утверждённого решением Комиссии Таможенного союза от 09.12.2011 №877.

Разработанный принцип построения шинного тестера на базе легкового автомобиля может быть использован для определения ср - S диаграммы в дорожных условиях без применения специальных шинных тестеров (в том числе и для шипованных шин). Использованные при построении описанного шинного тестера методы могут применяться при исследовании вопросов эффективности действия АБС на различных дорожных покрытиях, включая специальные покрытия в летних условиях.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы используются в практической деятельности фирмы ООО «Йокохама Рус» при разработке новых моделей и доводке для российских условий эксплуатации шин марки Yokohama.

Установленные в работе экспериментальные зависимости внедрены на кафедре «Автомобили» МАДИ и используются при проведении учебных занятий со студентами специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство», а также при курсовом и дипломном проектировании.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика испытаний эффективности действия АБС автомобилей категорий Мь Nb оснащённых шипованными шинами;

2. Метод определения (р - S диаграммы с помощью автомобиля - шинного

тестера;

3. Результаты экспериментальных и аналитических исследований.

Апробация работы

Основные результаты исследований были доложены, обсуждены и одобрены на 70-й и 71-й научно-методических и научно исследовательских конференциях МАДИ, на 77-й («Автомобиле- и тракторостроение в России: приори-

теты развития и подготовка кадров», МАМИ, Москва, 2012), 78-й («Конструктивная безопасность автотранспортных средств», НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», Дмитров, 2012), 79-й («Безопасность транспортных средств в эксплуатации», НГТУ им. Алексеева, Нижний Новгород, 2012), 82-й («Экология и энергетическая эффективность автотранспортных средств», НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ», Дмитров, 2013) и 83-й («Особенности эксплуатации автотранспортных средств в дорожно-климатических условиях Сибири и Крайнего Севера. Проблемы сертификации, диагностики, контроля технического состояния», ЕМ ИрГТУ, Иркутск, 2013) Международных научно-технических конференциях ААИ, Международной научно-практической конференции («Прогресс транспортных средств и систем - 2013», ВолгГТУ, Волгоград, 2013).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 7 статей в журналах из перечня, рекомендованного ВАК при защите кандидатских диссертаций.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка условных обозначений, списка литературы (137 наименований) и пяти приложений. Работа содержит 152 страницы машинописного текста, 26 таблиц и 55 рисунков.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Антиблокировочные системы автомобилей с гидравлическим приводом рабочей тормозной системы. Обзор конструкции

Автомобиль является объектом повышенной опасности. В РФ за 2012 год произошло 203597 дорожно-транспортных происшествий (ДТП), в которых погибло 27991 человек и было ранено 258618 человек [118]. Поэтому развитие средств активной и пассивной безопасности является важнейшей задачей для конструкторов транспортных средств. Большим шагом в развитии активной безопасности автомобиля стало внедрение в конструкцию тормозного управления антиблокировочных систем (АБС). Именно с появлением АБС на серийных машинах в конце 70-х гг. XX в. начинается бурное развитие систем активной безопасности. Антиблокировочная система предназначена для устранения блокирования колес автомобиля при торможении [102].

По оценкам автомобильных специалистов из Германии установка АБС приводит к снижению числа ДТП в среднем на 7% [28]. При этом экономическая выгода заключается в снижении материального ущерба на 14 %, а также в снижении затрат на шины из-за уменьшения их износа на 6-10% [28].

С момента первого появления системы АБС сменилось несколько её поколений - она становилась меньше по габаритным размерам и по весу, электронный блок управления (БУ) стал устанавливаться на гидравлический модулятор, появились дополнительные функции, оптимизировалось программное обеспечение, что позволило сделать регулирование тормозного момента более точным.

В настоящее время развитие АБС достигло высокого уровня по функциональным качествам и надёжности. Это способствует тому, что внедрение АБС в конструкцию автомобилей получает широкий размах. Установка АБС согласно правилам ЕЭК ООН № 13 (-09) является обязательной на грузовых автомобилях с полной массой более 3,5 т (категории N2, N3), прицепах и полуприцепах полной массой более 3,5 т (категории 03, 04) и автобусах (категории М2, М3)

[107]. В настоящее время в РФ применение АБС на автомобилях категорий Мь Ni не является обязательным. Однако практически все ведущие изготовители легковых автомобилей устанавливают АБС серийно или в качестве опции.

О распространённости АБС в странах Европейского союза (ЕС) свидетельствует тот факт, что в 2004 г. автопроизводители взяли на себя добровольное обязательство устанавливать систему АБС на все, поступающие на рынок Евросоюза, новые автомобили с 2006 г. независимо от их класса и стоимости. В итоге на сегодняшний день в развитых странах уровень оснащения новых автомобилей системой АБС достиг практически 100% [116].

В РФ по данным маркетингового исследования компании Bosch в 2008 г. уровень оснащения АБС новых автомобилей составил 56%, однако для традиционных отечественных марок (ВАЗ, ГАЗ, УАЗ) эта цифра составляла лишь 17% [116].

Таким образом, на сегодняшний день АБС практически во всём мире становится стандартной общепризнанной системой активной безопасности, главная задача которой не допустить развитие аварийной ситуации и снизить последствия ДТП.

Система АБС является базовой системой активной безопасности, на основе которой были в дальнейшем разработаны противобуксовочная система (ПБС, TCS, ASR) и электронная система динамической стабилизации (ESP, ESC, VDC, VSC, DSC), системы электронной блокировки дифференциала (EDS и XDS), ассистент экстренного торможения (ЕВА, НВА), ассистент трогания на подъёме (ННС).

Мировыми лидерами среди фирм, производящих АБС, являются Bosch, Bendix, Delco (Delphi), Continental-Te ves, TRW, Mando, Kelsey-Hayes, Nippondenso, Sumitomo, Wabco, Knorr-Bremse и др. [131].

Вопросами тормозной динамики автомобиля, исследованиями рабочих процессов тормозных и антиблокировочных систем успешно занимались многие учёные: Ахметшин A.M., Барашков A.A., Бойко A.B., Высоцкий М.С., Гу-ревич JI.B., Дыгало В.Г, Клименко В.И., Мальцев Н.Г., Меламуд P.A., Наумен-

ко Б.С., Нефедьев Я.Н., Никульников Э.Н., Попов А.И., Портнягин Е.М., Пче-лин И.К., Сальников В.И., Селифонов В.В., Соцков Д.А., Сорокин В.Г., Ревин А.А, Федотов А.И., Фрумкин А.К., Mitschke М. и др.

В области оптимизации сцепления пневматической шины автомобильного колеса с опорной поверхностью работали Балабин И. В., Балакина Е.В., Букин Б.Л., Давыдов А.Д., Дик А.Б., Зотов Н.М, Кнороз В. И., Кузнецов Ю.В., Малюгин П.Н., Петров В.А., Ракляр A.M., Томило Э. А., Морозов М.В., Pacejka Н.В. и др.

Принцип действия АБС заключается в поддержании узкого диапазона относительного скольжения (S) затормаживаемых колес, при котором обеспечивается высокое значение продольного коэффициента сцепления {(рх) колёс с дорожным покрытием [102]. Благодаря этому также обеспечивается достаточный запас боковой устойчивости, так как коэффициент сцепления в поперечном направлении (<ру) в этом диапазоне имеет достаточную величину [102].

Зависимости продольного (рх и поперечного сру коэффициентов сцепления от относительного скольжения S иллюстрируются так называемой (р - S диаграммой. Типичные (р - S диаграммы для дорожных шин в наиболее распространённых условиях движения представлены на рис. 1.1 [102].

Под величиной относительного скольжения S понимается [102]:

0 V - со-к

s = (1.1)

а

где Va - линейная скорость автомобиля;

со - угловая скорость затормаживаемого колеса; гд - динамический радиус колеса.

Таким образом, относительное скольжение, равное 0 %, соответствует свободному качению колеса. А относительное скольжение в 100 %, имеет место

в случае, когда колеса автомобиля полностью остановлены и шины скользят по опорной поверхности.

продольное сцепление поперечное сцепление

Рис. 1.1. Диаграммы ф - Б в тормозном режиме для различных дорожных условий [102]

Максимуму продольного коэффициента сцепления на (р - 5 диаграмме соответствует критическое относительное скольжение Бкр, а заштрих