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

На кранах рукописи

Дыгало Владислав Геннадиевич

МЕТОДОЛОГИЯ ВИРТУАЛЬНО-ФИЗИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТОРМОЗНЫХ СИСТЕМ КОЛЕСНЫХ МАШИН

05.05.03 - Колесные и п ссничныс машины

2 8 0КТ 2015

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Волгоград — 2015

005563714

Работа выполнена на кафедре «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образовагага «Волгоградский государственный технический университет».

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Репин Александр Александрович

Официальные оппонепты: Келлер Андреи Владимирович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), кафедра «Колёсные и гусеничные магпипы и автомобили», профессор; Рязанцев Виктор Иваповнч, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», кафедра СМ-10 «Колесные машины», профессор; Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский национальный исследовательский технический университет (ИРНИТУ)», кафедра «Автомобильный транспорт», заведующий.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Нижетродекий теударственный тех-

нический университет им P.E. Алексеева».

Защита диссертации состоится «1В» декабря 2015 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028 03, созданного на базе Волинрадского государ-ствешгого технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, 28, аул. 209.

С диссертацией можно ознакошггъся в библиотеке Волгоградского государственного технического университета и на сайте www.vstu.ru по ссылке hUp://www.vstu.ru/muka/dissertatsionnye-sovety/d-21202803.html.

Автореферат разослан «¿¿Ö» (О_ 2015 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Ляшснко

Михаил Вольфредолич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема безопасности дорожного движения остается одной из актуальных проблем современного мира. Более того, острота этой проблемы усиливается по мере повышения динамических качеств автомобилей и роста их числа на дорогах.

Одним из важнейших элементов, определяющих активную безопасность колесной машины, является тормозная система.

Большинство современных автомобилей оснащаются автоматизированными тормозными системами, которые обеспечивают повышенную устойчивость и управляемость автомобиля в режиме торможения па дорогах н условиях как поперечной, так и продольной флуктуации коэффициента сцепления.

Применительно к задаче оснащения колёсной машины автоматизированными системами важным становится вопрос выявления ошибок на paimnx стадиях проектирования.

Создание и доводка автоматизированных тормозных систем требует значительных трудовых и материальных затрат, существенная часть которых приходится на испытания этих систем в различных дорожных условиях.

В настоящее время испытания автоматизированных тормозных систем проводят в основном на стендах различных типов (барабанных, площадочных, роликовых и т.д.) или на специальных участках дорог автоиолшинои. Недостатком испытаний на стендах является ограниченная область применения. Испытания на специальных участках дорог оказываются наиболее затратным этапом создания и доводки тормозной системы. При этм даже самые совершенные иолитны позволяют воспроизвести ограниченный набор возможпых дорожных условий.

В сня.зи с згим предетанляется персиекгинным развитие методов испытаний, основанных на комбинации физических и математических методов моделирования. При этом появляется возможность задания самых различных дорожных условий и варьирования параметров тормозной системы, а также её элементов при использо-ватпш фактических параметров и характеристик тех элементов системы, которые представлены натурными образцами. Данный метод испыташш позволит исследовать работу автоматизированной системы в закритических режимах, что трудно осуществить традиционными методами, а также эффективно использовать метод сравнения состояний.

Обоснованием и развитием таких методов испытании применительно к автомобилям зашшался A.A. Репин и выпускники научной тпколы ВолгГТУ в конце семидесятых - начале восьмидесятых годов. R результате этих исследований были развиты многие частные вопросы, однако общая методология виртуально-физических испытаний автоматизированных тормозных систем, учитывающая весь комплекс испытаний и их взаимосвязь, не была создана.

Настоящая работа посвящена соэданшо общей методологии виртуально-физических испытаний автоматизированных тормозных систем колесных машин на основе использования современных аппаратных и программных средств.

Сшпь работы с крупными научными программами и темами

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

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

3. Научно-техническая профамма «Научные направления высшей школы но 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 испы-та!ШЙ автоматизированных тормозных систем автомобилей с использованием имитационных стендов-тренажеров», № 9-53/330-03 (ВолгГТУ), 2003 - 2004 г., помер государственной регистрации 01200310967.

4. Межотраслевая программа сотрудничества Минобразования Россш! и ОАО «АВТОВАЗ», проект 03.02.004. «Разработка методики построения имитационных стендов-тренажёров для проведения виртуальных лабораторных испытаний автоматизированных тормозных систем автомобилей семейства «АвтоВАЗ»» 2004 г.

5. Грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук, «Транспортные пауки», «Разработка физико-мехаиических 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 па-дёжности элементов шасси автомобиля с АБС в режиме торможения» 2001 - 2002 г.

Цель работы. Создание методологии испытаний автоматизированных тормозных систем колёсных машин на основе применения виртуально-физического моделирования и её использование на ранних этапах проектирования.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач исследования:

1. Провести анализ конструктивных решении автоматизированных тормозпых

систем и их рабочих процессов для выявления элементов, математическое модеди-

4

рование которых затруднено по ряду причин.

2. Проанализировать специализированные полигонные условия для проведения дорожных испытаний колесных машин с автоматизированной тормозной системой.

3. Оценить возможности существующих стендов и установок для лабораторных исследований при проведении испытаний колёсных машин в режиме торможения.

4. Установить «типовые» задачи, решаемые при проектировании и в процессе испытаний автоматизированных тормозных систем колёсных машин. На этой базе выделить основные классы виртуально-физических моделей и разработать принципы их построения.

5. Развить основные классы математических моделей колёсных машин с автоматизированной тормозной системой применш^елмк) к задачам проведения вир1уаль-по-физических испытаний.

6. Обосновать принципы выделения физических объектов применительно к режиму7 торможения колёсных машин.

7. Выявить критерии подбора средств реализации для решения соответствующих «типовых» задач.

8. Реализовать опытные образцы и установки под конкретные задачи испытаний элементов автоматизированной тормозной системы.

9. Провести верификацию процессов при виртуально-физическом моделировании.

10. Выработать критерии оценки (в соответствии с регламентирующими документами) автоматизированных тормозных систем колёсных машин при использовании виртуально-физического моделирования.

Объект исследования. Колёсные манпшы, оборудованные автоматизированной тормозной системой.

Киалнфиющпшшаи формула работы

Диссертационная работа является самостоятельной завершённой научной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены положения, могущие быть квалифицированными как совокупность научно обоснованных технических решений, заключающихся в обосновании и разработке основных принципов повышения качества испытаний автоматизированных тормозных систем колёсных машин па основе применения виртуально-физического моделирования.

Полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при адаптации автоматизированных тормозных систем и при проведении испытании в .заданных дорожпых 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 се обороноспособности.

Научная шшшна

1. Разработана методология формирования полу натурных комплексов для испы-ташш автоматизированных тормозных систем колёсных машин в лабораторных условиях на основе применения виртуально-физического моделирования.

2. Создан комплекс средств и методов для испытаний автоматизированных тормозных систем колесных машин в соответствии с отечественными и международными нормативными требованиями, в том числе по альтернативной методике, планируемой к введению на территории РФ с 2016 г.

3. Выделены основные классы комплексных моделей — «Колесо», «Шасси», «Шасси+водитель», необходимых для решения задач проектирования автоматизированных тормозных систем колёсных машин, и разработаны принципы их формирования.

4. Предложены обладающие повышенной гибкостью методы исследования рабочих процессов автоматизированных тормозных систем колёсных машин и их эксплуатационных свойств в режиме торможения, позволяющие проводить испытания и адаптировать к шасси коммерческие блоки автоматизированных тормозных систем с собственной закрытой логикой по принципу «чёрного ящика», а также разрабатывать и оптимизировать иовые алгоритмы работы.

5. Разработаны оригинальные средства реализации виртуально-физического моделирования, позволяющие оценить совместимость компонентов автоматизированных тормозных систем различных фирм-производителей и произвести их компоновку, а также оптимизировать совместимость компонентов автоматизированных тормозных систем различных фирм-производителей.

6. Для повышения эффективности процесса проектирования автоматизированных тормозных систем колёсных машин предложено использование У-цикла с применением комплексных моделей класса «Колесо», «Шасси», «Шасси+водитель» на ранних стадиях проектирования, что даёт возможность основную часть исследований тормозных свойств колесной машипы проводить в лабораторных условиях методом виртуально-физического моделирования, позволяющего оценивать правильность принятых технических решений па каждом этапе проектирования.

7. Для эффективного использования метода сравнения состояний при испытаниях вариантов проектируемых автоматизированных систем доказана необходимость обеспечения возможности максимальной воспроизводимости характеристик сцепления, системы «шипа - дорога».

8. Выполнена систематизация и определены критерии подбора средств реализации, предложенного лабораторного метода испытаний. Разработаны критерии выбора этих средств, которые, в отличие от других зарубежных разработок, позволяют не привязываться к конкретным фирмам-пронзводитслям.

9. Уточнены математические модели для реализации виртуально-физического

моделирования, учитывающие в частности:

^ полноприводные варианты компоновки машин; связь затормаживаемых колёс через дифференщ1ал, включая режим торможения двигателем;

влияние пфоскопического момента на изменение нормальных нагрузок управляемых колёс н процессе их самоповорота при торможении колёсной машины с автоматизированной тормозной системой;

изменение коэффициента трения накладок применительно к режимам движения с автоматизированной тормозной системой.

На защиту выносится методология испытаний автоматизированных тормозных систем колёсных машин на основе применения виртуально-физического моделирования.

1. Методика построения и средства реализации лабораторных имитационных стендов в соответствии с классами моделей и в зависимости от решаемых задач, использующих методы виртуально-физического моделирования для испытаний колёсной машины с автоматизированной тормозной системой, доработантгая математическая модель.

2. У-цикл проектирования с применением комплексных моделей класса «Колесо», «Шасси», «Шасси+водитель».

3. Имитационные стенды для проведения испытаний автоматизированных тормозных систем.

4. Результаты имигационнош моделирования при решении частных задач совершенствования автоматизированных тормозных систем.

5. Условия и режимы проведения испытательных работ с использованием V-цикла па имитационном стенде, которые позволяют в полной мере учесть требования регламентов к автоматизированным тормозным системам.

6. Лабораторный метод проведения испытаний автоматизированных тормозных систем, позволяющий учитывать режим корректирования фаектории движения колёсной машины водителем в процессе торможеиия, предусмотренный 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 теоретической» анализа подтверждаются совпадением с результатами модельных и натурных экспериментов.

Теоретическая значимость результатов работы

1. Созданы принципы альтернативных испытаний и исследований рабочих процессов систем активной безопасности колёсных машин 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 полпопрпводныс варианты компоновки машин; связь затормаживаемых колёс через дифференциал, включая режим торможения двигателем; влияние гироскопического момента на изменение нормальных нагрузок управляемых колёс в процессе их са-мононорота при торможении колёсной машины с автоматизированной тормозной системой. Предложена методика учёта изменения коэффициента трения накладок применительно к режимам движения с автоматизированной тормозной системой.

Пракпиеская значимость результатов работы

Применение стендов, реализованных на основе виртуально-физической технологии моделирования, позволит:

1) осущестатять испыташш натурных образцов систем активной безопасности и проводить отработку алгор1ггмов и схем установки вновь создаваемых;

2) проводить сертификационные испытаиия систем активной безопасности колёсных машин по альтернативной методике, планируемой к введению на территории РФ с 2016 г.;

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

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

Создан макет стенда для испытания автомобильных АБС в условиях, максимально приближенных к реальным, с учётом корректирующих действий нодителя но направлению курсового движешгя (в соответствии с заданием НТ11 «Транспорт» на 2000 - 2002 гг).

Совместпо с итальянской исследовательской [рунной по динамике шасси автомобиля по инициативе Dipartimento di Meccanica, Politécnico di Torino (Туринский политехнический институт, г. Турин, Италия) реализованы стенды, использующие разработанные в ВолгГТУ пршщипы виртуально-физического моделирования. В лаборатории кафедры механики Турипского политехшгхеского института проведены испытания систем активной безопасности и электроптдравлической тормозной

системы (Electro-Hydraulics Breaking System EHB) (стенд создан на базе узлов тормозной системы, выпускаемых фирмами Alfa Romeo, Bosch, Bendix, Magnelti Marelli, TRW, при поддержке FIAT Auto Италия).

Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке инженеров на кафедре СМ-10 «Колёсные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Материалы диссертационной) исследования являются частью отчетов по программам:

S НТП «Научные направления высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Подпрограмма 205 «Транспорте.

S НТП «Научные направления высшей школы но приори тет ным направлениям науки и техники». Подпрограмма 205 «Новые авиационные, космические и ipanc-портные технологии».

S Межотраслевая программа сотрудничества Минобразования России и ОАО «АВТОВАЗ».

S Грант Президента Российской Федерации для поддержки молодых учёных -кандидатов наук.

Трех гратов по фундаментальным исследованиям в области технических наук, «Транспортные науки».

Личный вклад автора. Автор самостоятельно сформировал общую концепцию исследования и получил основные результаты диссертационной работы. Он 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 тормозпой системы, выпускаемых фирмами Alfa Romeo, Bosch, Bendix, Magneti Marelli, TRW при поддержке FIAT Aulo, Италия, разработаны совместно с сотрудниками итальянской исследовательской группы по динамике шасси автомобиля (по инициативе Dipartimento di Meccanica, Politécnico di Torino, г. Турин, Италия)

Апробации работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на внутривузовекпх научных конференциях МАДИ (ГТУ) в 2005 г.; на научных семинарах МГТУ им. II. Э. Баумана; 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., 78-1Í - в шопе 2012 г., 79-и - в сентябре 2012 г., а также на внутривузовекпх и международных конференциях и семинарах в Вол-гГТУ, НГТУ, па кафедре «Автомобили и тракторы» МАМИ.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 74 научно-технические работы, в том числе 2 монографии, 19 статей в журналах из списка, рекомендованного ВАК при защите докторских диссертаций, 2 свидетельства о гос. регистрации про-(раммы для ЭВМ, 1 статья в базе данных Scopus.

Структура и объем. Диссертация состоит го введения, семи глав, заключения и списка использованных источников, содержащей» 199 наименований (в том числе 51 зарубежное) и приложении. Содержание изложено па 348 страницах текста, включая 200 рисунков и 25 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведён анализ научно-исследовательских работ по тормозной динамике колёсных машин.

Одним из важнейших вопросов при рассмотрении тормозной динамики колёсной машины (в том числе с автоматизированными системами контроля движения) являются устойчивость и управляемость её движения, базирующиеся на анализе курсового движения. R этом направлении широкое признание получили работы научных школ следующих учёных: В.П. Автушко, Д.А. Антонова, Л.М. Лхметшши, В.Д. Балакина, Е.В. Балаюгной, A.A. Барашкова, C.B. Бахмутова, A.C. Брыкова, Г А. Гаспаряпца, Е.М. Гецовнча, JI.JI. Гипцбурга, А.Б. Гредескула, Л.В. Гуревича, A.M. Иванова, В.А. Илларионова, А.Х. Каландарова, Ю.М. Калиштна, В.В. Капустина, Н.Т. Катанаева, В.А. Кнороза, Ю.Я. Комарова, Г.М. Косолаиова, Ю.Ф. Козлова, Р.ГГ. Кутпвида, A.C. Литвинова, A.B. Литвинова, С.И. Ломака, П.Б. Лукавского, Н.Ф. Метлкжа, Б.И. Морозова, В.В. Мочалова, Б.С. Науменко, Я.Н. Нефедьева, Э.Н. Никульникова, Я.М. Певзнера, В.А. Петрова, М.А. Петрова, И.К. Пчелина, A.A. Ревина, В.И. Рязанцева, Г.А. Смирнова, Д.А. Соцкова, Ю.Г. Стефановича, Б.С. Фалькевича, Я.Е. Фаробина, А.И. Федотова, И.М. Флерко, А.К.Фрумкпна, A.A. Хачазурова, И.В. Ходеса, Е.А. Чудакова, Г.Б. Шипплевского, С.Н. Шуклинова, Д.Р. Эллиса, Б.Ф. Юдакова, A.A. Юрчевского, Д.Л Якштеса, R. Limpert, M. Velardocchia и научных школ: ВолгГТУ, МАДИ, МАМИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГИУ, НАМИ, HI "ГУ им. P.A. Алексеева, СнбАДИ, ХАДИ и др. Анализ современных автоматизированных тормозных систем показывает, что совершенствование тормозной динамики колёсной машины и повышение курсовой устойчивости происходит за счёт введения дополнительных алгоритмов работы на базе элементов антиблокировочных тормозных систем.

Конкуренция вынуждает производителей все больше сокращать сроки разработки и организации производства новых моделей. В мтах условиях оарим становится вопрос о выявлении ошибок па ратптих стадиях проектирования колёсной маипшы. В результате анализа циклов проектирования различных производителей можно отметить, что основной рост затрат в результате ошибок возникает на двух переходных стадиях: до и после проведения испытаний. Анализ средств испытаний тормозных систем колёсных машин вы-

явил критерии выбора лабораторного метода испытаний автоматизированных тормозных споем В качестве таковот предлагаечъ-я метод сиртуалыю-физического моделирования (ВФМ'), сочетающий физическое и математическое моделирование исследуемого сложного объекта. На нервом этапе эта задача в ВолгГТУ решалась на основе применения аналоговых вычислительных машин (ARM).

Учитывая сложность и повышенную опасность проведения испытаний систем активной безопасности, соответствующим образом ограничивающие 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 техпо-лопш 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 па характеристики его движения (взаимодействие колеса с дорогой, гидродинамические процессы в тормозной системе, поворот управляемых колес 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 рис. 1.

Наиболее сложным в системе А - В - Д является подсистема «Автомобиль». Каждый модуль этой подсистемы совершает определённые преобразования величин и характеризуется входными и выходными параметрами. В этой связи на рис. 3 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», который в соответствии со сформулированной вытпе целью необходим для моделирования торможения автомобиля.

11ри моделировании процесса торможения отдельного колеса изменение угловой скорости в общем виде описывается уравнением:

Jk-rak=Rx-rd-Mt-Mtr-Mf; (1)

где г — момент инерции колеса; -ш^ - угловое замедление колеса; касательная реакция опорной поверхности; Г(1 - динамический радиус колеса; м, - тормозной момент на колесе; мг — момент силы сопротивления качению колеса; М„. - момент сил сопротивления в трансмиссии и двигателе.

X

ш

1-1 I I Т

однородная переход микст зебра шахмшг случайная доска

эксплуатационные характеристики

тип поверхности

мнкропрофнль

геометрические характерней па г

I

мнкро |

взшмопалож. автомобиля и дороги

. прямая - поворот . круг

. пересгавка

1 блок II блок

1 восприятия II действия

АВТОМосиль

модель движения кузова

модель подвески

модель колеса

закон управления тормозной педалью

1 модель тормозной системы

н

закон управления

модель рулевого управления

модель ■трансмиссии

ВОДИТЕЛЬ

;7травляемый

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»

Для определения величины тормозного момента необходим учёт 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.

Для систем активной безопасности характерно то, что большая часть энергии автомобиля при торможении гасится не в пятне контакта колеса с дорогой, а в тормозном механизме. Это приводит к необходимости учёта при ВФМ изменения темпера-

турного режима в системе колодка - диск. Согласно исследованиям зарубежных учёных, при превышении температуры колодки в 300 - 400 °С может возникнуть так называемый фединг-эффект, что приводит к нелинейному падению коэффициента трения тормозных накладок (рис. 2).

Temperature -•-12N -*-41N --И-•-72N ....... 101N -—

Рисунок 2 - Зависимость изменения коэффициента трения тормозных накладок от температуры (по данным испытаний колодок FF.RODO RACING)

52N 131N

Коэффициент трения тормозных накладок может быть выражен следующим образом:

где V-скорость автомобиля (м/с); р-давление в тормозной линии (бар) Н/м2;

Т - температура тормозного диска °С; С, - коэффициенты модели.

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

Расположение модулей в подсистеме «Автомобиль», когда в первую очередь обрабатываются модули, имеющие наивысший приоритет, позволяет уже па ранних стадиях моделирования обнаруживать невозможность решения задачи, недостаточность связей с другими модулями или нехватку исходных данных. Такое разбиение подсистемы «Автомобиль» минимизирует число взаимодействий между модулями, что наилучшим образом сказывается па одной из задач исследования - скорости решения модели на ЭВМ.

Пре,(ла1 аемый модульный принцип составления математической модели подсистемы «Автомобиль» позволяет совершенствовать модель итерационным метолом, который даёт возможность добавлять или убирать блоки, изменять их математическое наполнение, сохраняя при этом состав формальных связей для полного описания объекта. Итерационный процесс продолжается до чех пор, пока для решения поставленной задачи не получеиа модель, которая наиболее полно отражает физические и временные процессы, протекающие в реальных объектах. Эффективная работа математической модели возможна только при наличии надёжных 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.

Рисунок 3 - Схема взаимодействия моделей модулей в подсистеме «Автомобиль» в общем

случае торможения

Анализ показывает, что при проектировании тормозною привода с АБС от начальных конструкторских работ до запуска в серию разработчикам в первую очередь приходится регпать следующие типы основных задач (рис. 4):

формирование алгоритма затормаживаемого колеса и подбор характеристик модулятора;

выбор структуры управления и её рационализация с учётом действий водителя-оператора

Практика применения виртуально-физического моделирования (ВФМ) в ВолгГТУ показала, что, используя системное проектирование и моделирование, возможно построить стенды, объединяющие новые и существующие механические, гидравлические, злеюрические исполнительные устройства и датчики. Виртуально-физическое моделирование (ВФМ) позволяет сократить процесс проектирования новых систем при использовании предлагаемого У-цикла проектирования (рис. 5). При этом можно быстро уточнять и модифицировать проект до тех пор, пока не будем достигнут желаемый результат.

Вели на этапе проектирования и расчёта системы, а впоследствии и конкретного модуля максимально облегчить труд позволяют программные пакеты математического моделирования (ММ), то на этане проверки, контроля и испытаний целесообразно широкое применение виртуально-физического моделирования, которое позволяет совмещать натурные агрегаты систем с математическим описанием динамики протекающих процессов и явлений. При этом управление физическим объектом, как

и расчёт модели, ведётся в реальном масштабе времени. В случае возникновения ошибки на этапе верификации системы, возможны проведение быстрого прототипи-рования и с помощью ВФМ - коррекция спецификации системы, что не вызовет значительных задержек при проектировании.

•Как правила, физически на стенАе реализуется на примере оЛного колеса •Отработка алгоритма модулятора (в канале управления одиночным колесом) ■Отработка работы одиночных агрегатов и блоков (эмулятор усилия педали) •Разработка диагностических признаков

•Как правило, физически на стенде реализуется на примере всех колес и агрегатов шасси

•Обработка алгори тма модуля тора (в канале управления всеми колесами) •Отработка работы агрегатов и блоков системы в целом ■Выбор и обоснование структуры управления •Разработка диагностических признаков системы

■Исследование устойчивости и управляемости при вариации конструктивных параметров элементов шасси (жесткость элементов рулевого управления) _

•Кан правила, физически на стенЙерёал^ёт^яШ'пркмёревсас колес и агрегатов шасси + реальный водитель

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

• Учет действий реального водителя и реализации функционирования и согласованности логики работы системы активной безопасности •Формирование эксплуатационных свойств колесной машины в режиме торможения

•Исследование психофизиологических факторов человека в критических ситуациях

у

Рисунок 4 - Иерархия моделей и принципы подбора и реализации функциональных блоков в зависимости от решаемых задач

Исследованиями Н.В.Герца, Г.В Крейнина, Н.Ф. Метлюка, В.П. Аитушко и др. установлено, что для описания режима течения жидкости или газа н тормозной магистрали и модуляторе АБС необходимо знание большого числа параметров, которые на стадии проектирования зачастую невозможно получить с требуемой точностью, что определяет его как критическое звено в цепи моделирования. Вместе с тем динамика процессов взаимодействии эластичного колеса с поверхностью дороги достаточно хорошо описана математически. Наиболее эффективным выходом из сложившейся ситуации является применение виртуально-физического моделирования, 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 колёсной машины в режиме торможения в целом целесообразно магистрали тормозного контура вместе с модуляторами АБС и рабочими цилиндрами (включая податливость шлангов и жёсткость системы «колодка — барабан») представлять натурным

15

объектом с физической моделыо при условии сохранения геометрии магистралей и местоположения исследуемых а1регатов. Тогда шасси автомобиля, тормозной механизм, рулевое управление, подвеска, пара «шипа - дорога» и т. п. представляются в виде математической модели на управляющем вычислительном комплексе.

Задача формирования алгоритма работы системы (модели класса «Колесо») При использовании комплексной технологии моделирования необходимо выполнить одно из важнейших требований - обеспечить работу в реальном 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. Проведённые 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. Усложнение математического описания различных элементов колёсной машины обусловило необходимость применения современных ПК при строгом соблюдении важнейшего условия, время расчёта процесса должно быть меньше времени его реального протекания.

Следующей задачей, которую приходится решать конструкторам колёсной машины, 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

16

систем, отвечающих жёстким требованиям сертификации по работоспособности и безопасности. Так, появляется возможность проводить моделирование всей системы, объединяющей несколько различных подсистем, и анализировать сс работоспособность в опасных или затратных для проведения натурного тестирования условиях и средах.

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

Па основе расчётной схемы (рис. 6) с использованием методов Даламбера и Ла-гранжа составлены дифференциальные уравнения, описывающие движение составных частей системы «Водитель - Автомобиль - Дорога»

Уравнения движения центра масс автомобиля запишутся в виде

М ■ <УХ-Уу-у) = -¿Я^ - ±Ях1,-Р„

у-1 >.1

(2)

М ■ (Уу+К-г) = Xй-, + 1-1 ¡-1

■К ' Г = (^22 - д,21) ■ 0,5 - В2 + (Ях1рг - Ях1р1) 0,5 В,

М У=1

где ]г— момент инерции механической системы относительно вертикальной оси; V,. -продольная скорость центра масс автомобиля; У„ - поперечная скорость центра масс; а,Ь - координаты центра масс; в, - ширина колеи соответствующего моста; -1л - угол поперечного наклона дороги; у - курсовой угол АТС; Кх]рг Иу]р| -результирующие реакции на передних колесах по соответствующим осям закреплённой на автомобиле системе координат; - сила сопротивления воздуха.

У|Х)л самоноворота управляемых колёс определится из дифференциального уравнения вида

Лру-Ору + Ьру Ору + Сру-Ору =(Кд12-КлП)-[1-га-(ак +Р»)]-

2 2 V3)

¡=1 .¡=1 где з — суммарный момент инерции колес с приводом относительно шкворня; , ь ру~ приведённые характеристики жёсткости и демпфирования к углу поворота 0;

1 - длина цапфы; ук продольный и попоенный углы наклона шкворня; ак- угол развала колёс; М,ру - момент сухого трения; Мр - результирующий момент, действующий в пятне контакта.

Колесу, вращающемуся вокруг оси с угловой скоростью ч\, сообщается дополнительная угловая скорость сов вынужденного самоповорота. При сообщении колесу вращепия одиовремешю вокруг двух осей возникает момент гироскопической реакции Mr=JK действующий с частотой самоповорота колёс и способствующий изменению нормальных реакций на управляемых колёсах. Как показали исследования, возникновение эффекта поперечных колебаний колее управляемой оси от гироскопического момента при самоповоротс колёс, что важно, с частотой самоповорота влияет на поперечные колебания колёс оси и изменение нормальных реакций в пятне контакта до 12%, а это, н свою очередь, отражается на частоте функционирования АБС.

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

2

Rq(Al) = <rq2-lAi -е-"1' -|Л11 • cos (3j • Д1. (4)

i=l

где Стд- дисперсия процесса; <х;- коэффициенты затухания; Р;- превалирующие частоты; = 1.

i=l

Дифференциальные уравнения, описывающие вертикальные и угловые колебания кузова автомобиля, запишутся п виде .22

2 2 ?»<! =(2Кгр«12.)"Ьь 'Зк -Мроа -Ь,- ^к)/1ку

" 2 (5)

'- = (^1X41 -Х + М^ -Ь). )у -/.-к! + 2^44x12 -<1Г2 /2-

ы

" ¿Игрой! ^г1/2)/4,

где г - вертикальная координата кузова; М^, - масса подрессоренной часги автомобиля; Ь(. - высота центра подрессоренных масс; расстояния от перед-

ней и задней оси до цетра подрессоренных масс; момент пнерщш подрессоренной массы относительно поперечной оси; продольное замедление автомобиля; ь^- плечо крена; ц- коэффициент, характеризующий стабилизатор поперечной устойчивости; ап- расстояшш между осями подвесок; приведённый момент инерции подрессоренных масс относительно продольной оси; поперечное ускорение автомобиля; Я7!Т1]] - вертикальные усилия в подвеске.

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

В связи с тем, что за основной режим принимается процесс экстренною торможения автомобиля с отсоединённым двигателем, то отличие динамики торможения ведущих колёс от ведомых проявляется в увеличении момента инерции затормаживаемых масс колёс из-за инерции присоединённых частей фансмиссии и наличия механической связи правого и левого колёс между собой через дифференциал. Эти особенности накладывают определённый отпечаток на характер торможения колёс 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 трешы.

Исследования показали, что при определении момента, создаваемого компрессором, необходим учёт 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:

Мдв=Мср+ ). /■ "Г II (7>

Мк =1,Т-М1-71В2/4; (6)

гдеР — давление н цилиндре из индикаторной диафаммы; г-радиус кривошипа; Б - диаметр цилиндра компрессора.

Зависимость момента от частоты вращения:

А . ( (.Г-вЛ

,— . ■. '¡ш ®-1-агс(й -

^1 + {1-<а>е) V ^ с

где М^ - средний момент за время одного оборота, Нм; .1 - момент инерции, приведённый к валу двигателя, кг м2; А - амплитуда колебаний момента па валу кривошипа; с - жёсткость механической характеристики двигателя.

Рационализация структуры управления невозможна без учёта действий водителя по коррекции направления движения, поскольку колёса сохраняют способность воспринимать боковые реакции без скольжения в течение всего процесса торможения с работающей АБС. Таким образом, третьей обязательной задачей является задача рационализации структуры управления, учитывающая взаимодействие системы «человек-машина» (модели класса «Шасси+водитель»),

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

Решение данной задачи достигается за счёт расширешш возможностей стендового оборудоваштя средствами, обеспечивающими визуализацию процесса движения, воспринимаемую реальным водителем; реализацией каналов тактильной информации, передаваемой водителю.

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

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

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

Необходимо учитывать условие: время расчёта математической модели должно быть меньше, чем время протекания физического процесса.

20

Рассмотрим факторы, от которых это зависит:

1. Производительность вычислительных средств.

2. Выбор языка описания математической модели объекта исследования.

3. Шаг расчета математической модели объекта исследования.

4. Оптимизация программы к вычислительным средствам.

Произноднгелыкхпь вычислительных средств складывается из следующих составляющих:

1. Количество и производительность центрального процессора.

2. Размеры и тин 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 описатшя Fortran, поскольку данный язык был разработан для программного описания математических процессов и явлений. Профаммные пакеты, подобные Mathlah 'Simulink .тля работы в режиме реального времени могут использовать различные компиляторы, обеспечивающие гибкость оптимизации.

Сокращение шага расчёта позволяет более точно описывать upoiекающий процесс (0,01 - 0,0001 е.). Вследствие необходимости расчёта в реальном масштабе времени таг необходимо выбирать в зависимости от времени расчёта и вычислительных мощностей, производительность которых можно оценить проведением предварительных тестов.

Для решения задач рационализации структуры управления, учитывающей взаимодействие системы «чс.юсск-маииша», в четвёртой главе рассмотрены особенности построения моделей класса «Шасси+водитель» при виртуально-физическом модел1гровании

При внзуализащш процесса торможения необходимо учитывать, что водитель принимает в нем активное участие, корректируя траекторто движения автомобиля. Одной из важнейших задач при разработке комплексной моделирующей установки являются адекватная визуализация процесса курсового движения автомобиля в процессе торможения и реализация каналов тактильной информации, передаваемой водителю (посредством органов управления), проводимые в лабораторшлх 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 фафических средств, 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 учётом действий во-

дителя. 1 lpiiмеры созданных установок и результаты, полученные с их использованием, приведены в пятой главе.

Пример решения задач на уровне модели класса «Колесо» проиллюстрирован разработкой и рационализацией элеюрогидранлической тормозной системы

В результате научного сотрудничества исследовательских ipynii Волго|радскои> государственного технической) университета и Туринскою политехнической) института, при поддержке FIAT ALTO был создан эмулятор усилия педали (ЗУП) (pedal force emulator PFE) для перспективных автоматизированных тормозных систем, который имитирует поведение традиционной педали тормоза, не шокирующей водителя и одновременно собирающей необходимые данные для работы электрогидравлической тормозной системы (ЭГТС).

Данная система содержит главный тормозной цилиндр (ГТ1 0 автомобиля Alfa Romeo 166 mod. и разработанный эмулятор усилия педали. В отличие от традиционной тормозной системы, где ГТЦ передаёт усилие от нога водителя к колёсным тормозным цилиндрам, в дапном случае ГТ1 \ решает обратную задачу, передавая водителю реакцию педали на его действия. Практически ГТЦ используется только при отказе ЭГТС (например, при отсутствии питания), соединяясь напрямую с колесными тормозными цилиндрами. ЭУП является одним из важпых модулей 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 нротраммный пакет AMESim. В результате первоначального анализа характеристики перемещение - усилие на педали был сделан предварительный вывод о схеме системы. Все элементы разрабатываемой системы математически и вир-туально-физ1гчески были опробованы на стенде.

Рис. 7 отображает модель AMESim ЭУП. В данной модели в верхней части отображена модель стандартного ГТЦ, применяемого на Alfa Romeo 166, и две выходные 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 WD-контроллером, подключённым к датчику перемещения и гидроцилиндру.

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

Широкомасштабное применение электрогидравлических тормозных систем ограничивается в чх)м числе стоимостью. Фирмы-производители данных систем используют пропорционально работающие эдектроклапапы и дорогостоящие миниатюрные датчики давления.

Input rod displacement (mm)

Рисунок 7 - Математическая модель Рисунок 8 - Экспериментальная

ЭУП, созданная R программе характеристика ЭУП:

AMESim® 1-Bosch-,

2 - результат моделирования в AMESim

3 — 1,2: экспериментальный результат.

Сократить затраты на производство можно применением более дешёвых электроклапанов (с рационализацией алгоритма управления).

Таким образом, возможно решение ещё одной задачи класса «колесо».

Рисунок 9 - Вил монтажа гидравлического блока Bosch Рисунок 10 - Вид монтажа тор-

F,SP 5 .7, гидроаккумулятора высокого давления, гидро- мозного механизма и клапапов

цилиндра, главного тормозного цилиндра и эмулятора гидравлического блока Bosch

усилия педали. ABS 5.3

Для решения был разработан прототип ЭГТС, использующий двухпозици-охшые клапаны, используемые в традиционных антиблокировочных тормозных системах (АБС) (рис. 9-11).

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

Рисунок 11 - Внешний вид стенда Первые эксперименты показали возможност ь использования для управления электроклапанами (применяемыми в стандартных АБС) пшротно-импульсной модуляции сигнала. На рис. 13 показаны полученные характеристики системы по снижению давления в КТЦ, достигнутые за счёт 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 (рис. 12, 13) от количества импульсов, подаваемых на клапан. Даппые значения необходимы для работы в алгоритме у правления ЭГТС.

Решение задач выбора структуры управления проиллюстрировано стендом (рис. 14—16), который реализован автором в лаборатории Туринского политехнического института.

^ Время, с

Рисунок 12 - График увеличения давления в колёсном тормозном цилиндре

Рисунок 13 - График градиента давления и давления, развиваемого в колёсном тормозном цилиндре

1500 „ 1400 I-1300 ^ 1200 100 1000

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

Данный стенд базируется па агрегатах Alfa Romeo 157/166 mod и позволяет проводить 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 УСО dSPACEDS 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.

Рисунок 15 — Схема стенда

Рисунок 14 - Внешний вид стенда

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

1«щю |!|

Рисунок 17 - Осциллограмма верификации логики работы АБС по фазам

Рисунок 18 Осциллограмма верификаиии 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)

На рис. 17, 18 приведены результ аты испытаний систем Bosch ABS 5.3 и Bosch ESP 5.7, а также рационализации разработанных алгоритмов работы систем ABS и ESP.

tempo [а]

б

BmpoW

tempo [Ii

Реализовать модель класса «Шасси+водитель» позволяет стенд, созданный автором в ВолгГТУ (рис. 20).

Для обеспечения работы имитационного стецда-трепажера в реальном масштабе времени программное обеспечение было распределено на три компьютера, объединённых в локальную сеть.

Величина и динамика изменения момента на рулевом колесе реализуется с помощью гидромеханического нафужающего устройства, управляемого от одного из персональных компьютеров, через устройство сопряжения объектов (рис. 19). Математическая модель движения автомобиля в режиме торможения описана на языке Fortran и скомпилирована в виде динамической библиотеки Solver.dll.

Подобный подход позволяет ускорить ретпение модели за счёт изначальной ориентированности языка Fortran на опт имальное решение математических задач, а динамическая библиотека дает возможность зафузки только той части, которая необходима для решения в данный момент. Тем самым высвобождаются вычислительные ресурсы системы. На персональном компьютере реализованы построение и отображение дорожной обстановки перед автомобилем и динамика изменения дорожной ситуации.

ПК? ПК!

Рисунок 19 - Блок-схема имитационного стенда-трснажсра для исследования тормозных свойств автомобиля с АБС

Дальнейшее расширение возможностей стенда с применением ВФМ, например, позволяет исследовать влияние рабочих процессов АБС на самоповорот управляемых колёс в режиме торможения (рис. 22 - 24).

В шестой главе проведена верификация при моделировании рабочих процессов колёсных машин с автоматизированными тормозными системами. Анализ характеристик, получаемых на стендах, реализующих виртуально-физическую технологию моделирования, показал зависимость изменения параметров динамики торможения от времени, отражающую хорошо известные из теории автомобиля закономерности

(см. рис. 17 - 18). В целом анализ полученных в лабораторных условиях результатов

28

показал их хорошую сходимость с результатами дорожных испытаний. Расхождения обусловливались лишь различиями в конструкциях испытуемых тормозных систем и присущей любому реальному процессу нестабильностью параметров функционирования.

Рисунок 20 - Имитационный стенд-тренажер для исследования тормозных свойств автомобиля с учётом действий реального водителя

Рисунок 21 - Схема имитационного стенда-тренажера для исследования тормозных свойств автомобиля с учетом действий реального водителя

а 6

Рисунок 22 - Изменение приведённого момента инерции рулевого управления: а - за счёт перемещения дополнительных масс, расположенных на поворотных кулаках; б - расположенных на рулевом колссс. А

Рисунок 23 - Изменение жёсткости рулевого управления

Рисунок 24 - Изменение демпфирования рулевого управления

В седьмой главе изложена методика проведении испытаний в цикле проектирования автоматизированных тормозных систем на установке и перечислены основ-

29

ные мероприятия, входящие в структуру испытаний.

На основании требований методики ЕЭК ООН определён порядок проведения испытаний, которыми проверяются эксплуатационные свойства колёсной машины с автоматизированной тормозной системой.

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 её работоспособность в слишком опасных или дорогих для проведения натурного тестирования условиях и средах.

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

Используя системное проектирование и моделирование, возможно построить стенды под конкретные задачи, объединяющие новые и существующие: механические, гидравлические и электрические исполнительные устройства и дат чики.

Так, стенды, объединяющие несколько подсистем, позволят решить следующие задачи:

■S разрабатывать и тестировать ходовую часть и системы управления безопасностью без дорогостоящих дорожных испытаний;

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 они 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 па всех этапах процесса проектирования.

Программно-аппаратное моделирование особенно эффективно в следующих случаях:

S реальный объект ещё не построен;

S требования безопасности и быстродействия обязывают тестировать систему до привлечения людей к ее реализации;

■S необходимо протестировать систему в закритических состояниях, которые физически сложно и небезопасно воспроизвести.

30

Оперативное создание прототипов обеспечивает разработчикам САБ быстрый 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.

Опрсдсдеяис гре&таищ» ) ^«ямюш&ицд

г==н

<5*и разработки дли вшуса я а

Начало А. Перечень

проект* проект*

ф пакшггепей ф евдиифнкацииф

ТТ

| ^ Р Оспоякыс • £ »рсбиммм

2Г= о О0^-

/1ЭЛКП V

^ серм&яому

| [*МфПа>К \ "Р°""'Ж'*У

нспитшил^ОЭитиая ссрм Тшгаийм <

Рисунок 25 - Цикл проектирования автомобиля с применением ВФТМ

Таким образом, с учётом разработанных принципов виртуально-физического моделирования процесс разработки системы активной безопасности будет выглядеть следующим образом - рис. 25, а распределение задач по этапам разработки автомобиля - рис. 26.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Решена проблема создания методологии, лабораторных испытаний автоматизированных тормозных систем колёсных машин на основе применения виртуально-физических принципов моделирования и её использования на ранних этапах проектирования, что позволит повысить эффективность процесса проектирования за счет выявления и устранения ошибок уже на этапе формирования первичной спецификации, а также повысить качество испытаний.

2. Обосновано применение моделей класса «Колесо», «Шасси», Шас-си+водитсль», охватывающих основные задачи при проектировании колёсной ма-

31

шины, оснащённой автоматизированной тормозной системой в соответствии с отечественными и международными нормативными требованиями. Разработана и отлажена технология создания лабораторных комплексов с выделенными моделями. Использование системною проектирования и моделирования позволяет осуществлять построение стендов, объединяющих новые и сутдествуютцие: механические, гидравлические и электрические исполнительные устройства и датчики, что дает возможность решать следующие задачи:

План распределения задам по этапам разработки автомобиля

Гшы °> * > *> 5

Шмрокоьшэшабное и «учение «оииеяции. Мояелнромте'расчст дииамичи автомобиля САО Опенка и риработ спецификаций ;1сталнткроваига* рмработ: примеаояк СА(Ь*САЕ/ САМ пакете«, цифровые макеты, молсяи. одяелиргааилс.расчст чипами га автомобиля Построй« прототипа

Иишташе комитшигок ш>делароииме. стендовые

11сиы гаи не и ояробировашк на автомобиле, субыстнонжа и объективная инструментальная оцет

Оися*а и слеияфикаияя для рв»ра6опси сереинмх

I Ф

Рэюрвбетка ляя серийного ироюиодггвя: применение САОСАБСАМ пактов, цифровое уакеш. мотели, нолглириваимс.рисчс! динамики авгамибплх Одобрение ратрвЛггкн и изготомеиии Исвшаняе хоилмютж моклнроишвк. сипшоиыс неяытошм. <ВФШ кжя гё».

Ф

Г—

Кли№ки Шфойфчми« «а мнпюбгое.

Одобрение шфе» рирабопси воя плусса 8 ссрню Финалы«* доводка п> а*томо6н V. С>вМКПШ1Ш1

с

Рисунок 26 - Распределение задач по этапам разработки автомобиля

•/ разрабатывать и предварительно тестировать автоматизированные тормозные системы при существенном сокращении дорогостоящих промежуточных дорожных испытаний транспортных средств;

V разрабатывать и проверять алгоритмы с помощью моделей на более ранних этапах разработки;

У быстро осуществлять прототипированис алгоритмов контроллеров;

•У осуществлять профаммно-аппаратнос моделирование электрических и механических компонентов;

V осуществлять выбор структуры управления (схемы установки) тормозными механизмами колесной машины с целью формирования ее эксплуатационных свойств в режиме торможения.

3. Для рационализации процесса проектирования и повышения эффективности проведения испытаний ире,сложено предварительную часть исследований тормоз-

них свойств колёсных маипш проводить в лабораторных условиях методом виртуально-физического моделирования с использованием предлагаемого V-цикла, позволяющего осуществлять постоянную верификацшо и валидацшо припятых решений. Разработчикам целесообразно использовать виртуально-физическое моделирование для расширения возможностей испытания ходовой части и электронных автомобильных систем, отвечающих жёстким требованиям сертификации по работоспособности и безопасности, проводить моделирование всей системы, объединяющей несколько различных подсистем, и анализировать её работоспособность в опасных или дорогих для проведения натурного тестирования условиях и средах.

4. Установлены требования к выделенным классам математических моделей при использовании виртуально-физической технологии модслировашш для решети задач при проектировании автоматизированных тормозных систем колёсных машин. В частности:

выработаны критерии подбора средстп реализации разработанного метода испытаний, которые, в отличие от других разработок, позволяют не привязываться к конкретным фирмам-производителям;

V доказана необходимость учёта в полноприводных вариантах компоновки машин, связи затормаживаемых колёс через дифференциал, включая режим торможения двигателем;

^ предложена методика учёта изменения коэффициента трения накладок при-мецительпо к режимам движения с автоматизированной тормозной системой, обу-словлештя процессом её функционирования;

оценено влияние гироскопического момента, управляемых колёс, действующего в особых режимах работы автоматизированной тормозной системы при само-новороте управляемых колёс, приводящего к изменению нормальных реакций до 10-12%.

5. Реализованы и апробированы стенды для копкретных задач проектирования, а также методика проведения испытаний автоматизированных тормозных систем в лабораторных условиях с использованием виртуально-физической технологии моделирования движения колесной машины. Разработана блочная методика построения, и определены средства реализации имитационных стендов, использующих методы виртуально-физической технологии моделирования для испытаний колёсной машипы с автоматизированной тормозной системой в зависимости от задач испытании.

6. Обоснованы условия и режимы проведения испытательных работ на имитационном стенде, которые позволяют учесть требования существующих регламентов к системам активной безопасности.

7. Доказано, что виртуально-физическое моделирование совместно с использованием У-цикла позволяет минимизировать стоимость и риски при разработке

встроенных систем. Это возможно благодаря тестированшо, которое проводится предварительно до этапа доротстоящих полтонны* испытаний. Такой подход позволяет использовать одни и те же модели системного уровня на всех этапах разработки — от проектирования до программно-аппаратного моделирования в реальном времени.

8. В процессе исследований различных вариантов систем активной безопасности и их элементов установлена возможность:

•/ оптимизации модулей разрабатываемой системы на ранних стадиях проектирования и испытаний;

S реализации на стенде логики, соответствующей логике коммерческих блоков ABS и F.SP Bosch различных поколений;

■/ запуска системы ABS и F.SP с разработанной оригинальной логикой, отличной от производителя, что позволяет исследовать различные факторы работы системы и оптимизировать алгоритмы, не привязанные к сисгеме «чёрный ящик»;

V получения экспериментальных результатов, сопоставимых с производимыми блоками: сравнение и верификация экспериментальных результатов, полученных с собственным алгоритмом и алгоритмом, реализуемым в коммерческих блоках Bosch, показали полную логическую адекватность при параметрическом расхождении 5 - 8%;

V прямой работы с электромагнитными клапанами из блока ABS-ESP со своей собственной стратегией управления и контроля, отличной от производителя, что и показали алгоритмы работы ABS и ESP реализованные на стенде с реальными агрегатами тормозной системы

S выявления уже на ранних стадиях проектирования ошибок при функционировании блоков системы, что важно - когда при разработке и испытании не учитывались технологические особенности.

V учёта влияния жёсткости элементов рулевого управления на поведение автомобиля с автоматизированной системой в режиме торможения;

•/ учё1а действий реальною водителя н режимах движения, когда автоматизированная тормозная система вступает в работу.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Дыгало, ВТ. BnpiyajihHO-физическая технология лабораторных испытаний систем активной безопасности автотранспортных средств: монография /В.Г. Дыгало, А А. Решит; -ВошТТУ. Волго1рад, 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.

34

Публикации, входящие в «Перечень...» ВАК

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

2. Стенд для комплексных лабораторных испытаний ЭГТС / В.Г. Дыгало, A.A. Репин, А. Соршютти, М. Веллардокиа // Автомобильная промышленность. - 2006. - №3. - С. 34 -36.

3. Дыгало, В.Г. Виртуально-физическая технология моделирования в цикле проекти-ровашга автомапгагрованных тормозных систем многоцелевых колёсных машин / В.Г. Дыгало //Вес-пик Академии поенных наук. - 2011. - № 2 (спецвыпуск). - С. 122 - 125.

4. Исследование свойств активной безопасности транспортных средств методом имитационного моделирования / A.B. Тумасов, А.М. Гропгев, C.TO. Костин, М.И. Саушш, Ю.П. Трусов, В.Г. Дыгало // Журнал автомобильных тгженеров. - 2011. - № 2. - С. 34-37.

5. Дыгало, В.Г. Разработка алгоритма управления двухпозиционными клапанами для эдектрошдравлической тормозной системы колёсной машины методами виртуально-физической технатогии моделирования / В.Г. Дыгало // Вестник Академии военных наук. -20И. - № 2 (спецвыпуск). - С. 118-122.

6. 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.

7. Дыгало, В Г. Внр|уально-физическая технология моделирования в цикле проектирования автоматизированных тормозных систем / В.Г. Дыгало, A.A. Ревгпг И Изв. ВолгГ-ТУ. Сер. «Наземные транспортные системы»: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Вол raí рад, 2007. - Вьш.2, № 8. - С. 13-15.

8. Дыгало, В.Г. Разработка алгоритма управления двухпозицио1гными клапанами для электрогидравлической термозной системы методами виртуально-физической технологии моделирования / В.Г. Дыгало // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Наземные транспортные системы». Вып. 3 : межвуз. сб. науч. ст. /ВолгГТУ. - Волготрад, 2010.-№ 10.-С. 37-40.

9. Дыгало, 15. Г. Разработка эмулятора усилия педали для элекгрогидравлической тормозной системы методами виртуально-физической технологии моде.тироваштя / В.Г. Дыгало, A.A. Ревин // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Наземные транспортные системы». Вып. 3 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. -№ 10. -С. 33-37.

10. Дыгало, ВТ. Визуализация процесса торможения на имитационном стенде-тренажёре дли проведения виртуальных испытаний движения колёсной машины в критических режимах / В.Г. Дыгало // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Наземные транспортные системы». Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волготрад, 2011.-Кг 12. - С. 20-22.

11. Дьц-ало, В.Г. Виртуально-физическая технология моделирования в V-циклс при проектировашпт систем активной безопаспостн / В.Г. Дыгало, A.A. Рсвип // Изв. Волг! ТУ. Сер. «Наземные транспортные системы». Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгТТУ. - Волгоград, 2012. - № 2. - С. 35-38.

12. Дыгало, В.Г. Разработка устройства имитации сигналов колёсных датчиков системы активной безопасности / В.Г. Дыгало // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Наземные транспортные системы». Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волю:рал, 2012. - 2. - С. 32-35.

13. Комплекс для диагностики систем активной безопасности автомобиля / Г.О. Мельников, F..C. JTapmr, В.Г. Дыгало, A.A. Ревтг // Известия ВолгГТУ. Сер. «Наземные

транспортные системы». Вып. 6 : ыежиуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 10 (113).-С. 102-105.

14. Дыгало, В.Г. Общие принципы формирования полунатурных моделей при проектировании тормозной системы автомобиля с АБС / В.Г. Дыгало, A.A. Ревин // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Наземные транспортные системы». Вып. 7 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. -Волпирад, 2013. -№21 (124).-С. 10-16.

15. Дыгало, В.Г. Оценка адекватности ири моделировании тормозной динамики автомобиля с пневматической АБС / В.Г. Дыгало, В.В. Котов, A.A. Ревин // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Наземные транспортные системы». Вып. 6 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013.-№ 10(113).-С. 13-16.

16. Верификация результатов моделирования тормозной динамики автомобиля с пневматической АБС / В.Г. Дыгало, В.В. Котов, Л.В. Дыгало, A.A. Ревин // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Наземные транспоршые системы». Вып. 9. - Волппрад, 2014. - № 19 (146). - С. 1620.

17. Применение виртуально-физической технологии моделирования при исследовании влияния на рабочий процесс неисправностей пневматической тормозной системы с АБС / В.Г. Дыгало, В.В. Котов, Л.В. Дыгало, A.A. Репин // Изв. ВолгГТУ. Сер. «Наземные транспортные системы». Вып. 9. - Волхшрад, 2014. - № 19 (146). - С. 20-24.

18. Дыгало, В.Г. Принципы синтеза виртуально-физических моделей, предназначенных для разработки тормозной системы автомобиля с АБС / В.Г. Дыпшо, A.A. Ревин // Автомобильная промышленность. -2014. -№ 8. -С. 17-19.

19. Ревин, A.A. Формирование основных эксплуатационных свойств автотранспорт-1гых средств в режиме торможения / A.A. Репин, В.Г. Дыгало // Автомобильная промышленность. - 2014. - № 11. - С. 3-5.

Охранные документы

1. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2014619000 от 5 сент. 2014 г. РФ, МПК (нет). Расчёт параметров движения двухосного автомобиля в режиме торможения (DVAvto) / В.Г. Дыгало, A.A. Ревии; ВолгГТУ. -2014.

2. Свид. о юс. регистрации про1раммы для ЭВМ № 2014618925 от 20 сентября 2014 г. РФ, МПК (нет). Расчёт параметров движения колеса в режиме торможения (Колесо) / В.Г. Дыгало, A.A. Ревшг, ВолгГТУ. - 2014.

Прочие публикации по теме работы - 51 шт.

11одписано в печать 01.10.2015г. Формат 60х 84. Бумага офсетная. Гарниту ра Times. Печать офсетная. Печ. л. 2,0. Уч. шд. л. 2,4. Тираж 100 экз. Заказ№ 624.

Ошечатано в пшшрафии ИУНЛВолгГГУ 400005, г. Волиирад, просп. им. В.И. Ленина, 28, кори. 7.