автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Повышение эффективности работы антиблокировочных систем при колебаниях нормальной нагрузки на колесах автомобиля

МИНИСТЕРСТВО ВНСЕЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР МОСКОВСКИЙ АВШЕХАНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ФЕДОТОВ Александр Иванович

УДК 629.113-592.001.5

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВКОСТИ РАБОТЫ АНТИБЛОКИ? ОБ ОЧНЫХ СИСТЕМ ПРИ КОЛЕБАНИЯХ НОРМАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ НА КОЛЕСАХ АВТОМОБИЛЯ

С Специальность 05.05.03 - Автомобили и трактора )

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научней руководитель-кандидат технических наук, доцент

Каруэин О.И.

Москва - 1966

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................................................... Ч

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ

1.1, Характеристики эластичного колеса в тормозном режиме и их влияние на активную безопасность автомобиля ...............................................6

Т.?, Антибдокировочные системы и эффективность их

применения на автомобиле .......................... 10

1.3. Изменение нормальной нагрузки на колесах тормозящего автомобиля ............................ 15

1.4. Анализ существующих иетедов позыгсения эффективности работа АБС при переменной нормальной нагрузке .. 20

1.5. Задачи диссертации ................................ 23

Глава 2, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И КОМПЛЕКС

ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

2-1. Стенд для исследования процесса торможения автомобильного колеса в составе АБС .................£4

2.2, Комплекс измерительной и регистрирующей

аппаратуры ........................................ 32

2.3, Электронная система управления электромагнитными клапанами модулятора.............................. 43

2.4, Электронная аппаратура для автоматического регулирования процесса торможения колеса .......... 45

Глава 3, ВЫБОР МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АВТОМОБИЛЬНОГО КОЛЕСА В ТОРМОЗНОМ РЕЖИМЕ

3.1♦ Выбор и уточнение математической модели эластичного колеса....................................... 50

3.2, Экспериментальное и аналитическое исследование процесса торможения колеса при его нагружении

переменной нормальная нагрузкой ................. 56

3.3. Анализ динамических свойств колеса при

колебакия* нормальной нагрузки .................. 66

3.4. Выводи по главе ................................. 61

Глава k. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ РЕЛЕЙНЫХ

АБС ПРИ ПЕРЕМЕНКОЙ НОРМАЛЬНОЙ НАГРУЗКЕ ¿1.1. Разработка методики исследования ................ 62

4.2. 3 кс пери ментальное исследование торможения

колеса в составе релейных АБС...................85

4.3. Разработка математического описания элементов АБС 4.3.1. Математическое описание тормозного механизма .. 25

4*3.2. Математическое описание блока управления ...... 97

4.3.3. Математическое описание модулятора давления ... 99

4.4. Идентификация разработанной модели .............. IOI

4.5. Анализ эффективности работы релейных АБС

при переменной нормальной нагрузке .............. 107

4.6. Выводы по главе ................................. 124

Глава 5. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АБС ГТРИ ГЕРЕИЕННОЙ НОРМАЛЬНОЙ НАГРУЗКЕ 5.1. Исследование процесса торможения колеса,

нагруженного постоянным тормозным моментом,

при переменной нормальной нагрузке ............................126

5.2. Анализ путей повышения эффективности торможения колеса при переменной нормальной нагрузке.......133

5.3. Разработка принципов организации рабочего

процесса АБС при переменной нормальной нагрузке.. 141

5.4. Выводы по главе .................................152

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ .........................................154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРУ ....................................................................................157

ПРИЛОЖЕНИЯ ..................................................................................................167

ВВЕДЕНИЕ

Е "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I986-1990 годи и не период до 2000 года", приня -тьи на ХХЛ1 съезде КПСС отглочаетоя необходимость поиияог:ия эффективное та использования автотранспортных средств, сокращения сроков доставки грузов и обеспечения 'лх сохранности, а также значительного повышенил безопасности движения.

Автомобильная промышленность наяей страны является одной из интенсивно развивашлхся отраслей катодного хозяйства- Уве-гаче -ние выпуска автомобилей с высокие динамическими* качествами приводит к повышена» скоростей транспортных потоков. 3 этих условиях все острее встает вопрос обеспечения безопасности движения,

В решения данного вопроса основная роль отводится активной безопасности транспортных средств, которая в свою очередь в значите льеой мере определяется их тормоаными качествами.

Характерной особенностью процесса торможения автомобиля является то обстоятельство, что подведенный к колеса*.: тормозной момент может щнэодить к полному прекращению их вращения. В результате автомобиль теряет устойч:гзсс?ь, становится неуправляемым, увеличивается его тормозной путь, траентог;::-; движения произвольно меняется, что приводит к ссзданию аварийных ситуаций я дорожно-транспортным происшествиям (дТП),

По^имеющимся данным, около 17 % аварий на сухой дороге, 32 % на мокрой 0 72 % на льду происходит б связи с заносом автомобиля, Синение эффективности тормозеяля авгомоблля тачзе приводит к тяжелым последствиям. По данным КМ автомобильного транспорта» б 70 из каядых ICO случаев наезда на пе^еходоэ, для предотвращения ЛТП достаточно было сократить тормозной путь автомобилей всего на один метр.

Одним из наиболее перспективних средств повышение активной безопасности автомобилей является ;гх ос xaz е ни е антгйлокиров очными системами (АБС).

Эти системы позволяют автоматически регулировать процесс торможения колес и тем самым повышать устойчивость, управляемость и тормозную эффективность автомобилей, а также увеличивать срок службы их шин* Применение аБС способствует увеличению эксплуатационных скоростей транспортных средств и тем самым повышает их производительность.

Вместе с тем, мяогочисленные испытания опытных образцов показывают, что данные системы еще далеки от совершенства и не обеспечивают в полной мере реализацию потенциальных возможностей оцепления колес автомобиля о опорной поверхностью.

Известно, что тормозной путь автомобиля с АЗС на сухой бетонной дороге со значительными норов но стями увеличивается на 35 % по сравнению с экстренным торможением без АБС.

Эффективность применения АЬС снижается в основном под действием возмушениЯ, возникащих вследствие влияния дороанкх неровностей, колебаний подрессоренных яеподрессоренны:-: масс автомобиля и прявсдаззэс к нормальной кагруэ кл к а его холеоесс.

Таким ос разом, повушегага активной безопасности автомобиля является важной научно-технической задачей и для ее решения необходимо исследовать рабочий процесс АБС пг:: колебание норкаль-ной нагрузки, а также разработать пути по улучшению эффективности их работы.

Целью работы является повышение эффективности работы автомобильных А£С а условиях возмущений, зызвачньсс колебаниями нормальной нагрузки.

Глава СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАдАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1*1. Характеристики эластичного колеса в тормозном ргжиме и их влияние на активную безопасность автомобиля.

Репение задачи повышения активной безопасности автомобиля при его торможении,неразрывно связано с изучением вопросов взаимодействия эластичного колеса с оперной поверхности.

Колесо, основным элементом которого является сина, выполняет функции опорного (поддерживающего), ведущего идя тормозного и направлявшего элементов. Взаимодействие эластичного автомобильного колеса с опорной поверхностью принято оценивать его ьыходньш« характеристиками. Наиболее важными кэ них яэлчвтея: зависимость продольной реакции Ra от проскальзывания S и поперечной реакции Ry от угла увода 3 .

Изучению характеристик взаимодействия автомобильного колеса с опорной поверхностью посвятили свои труда многие отечественные и зарубежные ученые: Балакин 3.JU, Вирабов Р. В., Грел ее кул А. Б., Ечеистов С.А. , Ннсроз В,И. , Литвинов A.C. . Морозов Б.И. f Петров И.П*. Петров М.А., Ракляр A.M., Чудаков Е.А., Кларк, Людема, Пацейка, Фромм, Херц, Церански, Шалланах и др.

Многочисленными Экспериментальными исследованиями [4,6,36, 37,45,64,75,76,80,62,90,95,98,101 и др.] установлено, что зависимости или отношения й* к нормальной нагрузке %11 Я,/P/FÍS) достигают максимального значения при некотором проскальзывании Sup , называемом критическим (рис. 1.1 и 1.2). Зависимость %-ffS) получила в литературе название ty-S диаграммы. В зоне докрнтического проскальзывания характер зависимости или V* *= Fi®J определяется, з основном, упругим'/ свойствами [37]

Рис. 1-1. Экспериментальные- 5 диаграммы при торможении с различными скоростями

а) на сухой аофальто-бетонной дороге [б ] г

б) на обледенелой дороге [90

I - 20 миль/ч; 2 - \/= 40 миль/ч; 5 - 60 миль/ч

Рис.1.2. Экспериментальные зависимости Ру (в фунтах) при различных углах увода от про-скальэывания подданным работы 97 : I -0=0 ; 2 -(5= 8°; 3 12°; 4-5 = 16°; шина В170Л, аофальто-бетон, 20 миль/ч

шины и, главным образом, ее тангенциальной эластичностью. Ори Э ^ Б г(р превалирующее значение при обретают сцепные свойства шины и опорной поверхности. Они оцениваются коэффициентом сцепления Фт , представляющим собой отношение максимальной продольной реакции к нормальной нагрузке. При юзовом торможении Ях и % как правило, ниже своих максимальных значений и это снижение наиболее значительно на влажных, загрязненных, заснеженных и обледенелых дорогах (см. рас. 1.1,6).

Зависимости или ™ Р протекают

качественно аналогично зависимостям ^х - , При кагруже -

ник колеса одновременно боковыми и продольными силами зависимости и существенно изменяются. Кагружение колеса

тормозной или тяговой силой приводят к уменьшению поперечной реакции и, наоборот, реализация поперечной реакции сопровождается снижением продольной. Как показывают ис следования [18,27,33,46,65, 97,102 и др.] с ростом проскальзывания происходит снижение ^У и Я3у (см.рис.1.2). Это снижение происходит наиболее интенсивно при £ ^ .

Таким образом, в зазфитической по про скал взыванию зоне (5 > йкр) происходит не только уменьшение коэффициента ^Рх , что приводит к снижению тормозной эффективности, но и резкое падение коэффициента ^ I сопровождается снижением управляемости и устойчивости автомобиля при его торможении.

Каиболее опасно торможение автомобиля с заблокированными колесами (юзовое торможение), когда £ = / . При этом коэффициент настолько мал, что достаточно минимальной силы, чтобы вызвать боковое скольжение всего автомобиля, иогерю его управляемости и

устойчивости [12,45] .

Проведенный в работе [45] анализ показывает, что наиболее оптимальным является торможение колеса на режиме, соответствую-

щем максимальной реализации сцепных сил. При этом колесо сохраняет достаточно высокие потенциальные возможности к созданию реакций боковым силам, что в свою очередь обеспечивает хорошую тормозную эффективность и устойчивость автомобиля при торможении.

Исследования, проведенные в работе [35] , позволила автору сделать вывод о том, что границами рационального режима торможения колес автомобиля являются проскальзывание, соответствующее минимуму боковых смещений колеса, величина которого на 50...70 % меньше и критическое проскальзывание. Поддержа-

ние £ в указанном диапазоне позволяет обеспечить минимальные отклонения автомобиля от заданной траектории движения при высокой тормозной эффективности.

Режим торможения колеса при является устойчивым,

а при 6 >3кр - аеустойчивым. Если колесо нагрузсгь тормозным моментом по величине большим момента по сцеплению (Му где гно - радиус качения колеса в ведомом режиме), то оно весьма быстро блокируется. В дорожных условиях величина момента по сцеплению изменяется в больших пределах и даже опытный водитель не в состоянии при экстренном торможении поддерживать режим торможения колес автомобиля в устойчивой зоне, вблизи 6 *

Таким образом, для обеспечения устойчивости, уравляемости и высокой тормозной эффективности автомобиля при его экстренном торможении необходимо поддерживать режимы торможения его колес по проскальзыванию несколько меньше Знр и это можно осуществить только с помощью антиблокировочной систему.

1+2. Антиблокировочные системы и эффективность их применения

на автомобиле

История создания АБС насчитывает не одну сотню всевозможных конструктивных решений [43 ] и к настоящему времени число патентных источников по данному вопросу превышает 10 тысяч [5]. Б результате АБС сформировалась в сложную систему автоматического регулирования, предназначенную для обеспечения такого относительного движения колес тормозящего автомобиля, при котором создается оптимальное сочетание его устойчивости и тормозной эффективности [12 J. В то же время необходимо отметить f что АБС до сих пор не нашли широкого применения на автомобилях, хотя давно уже используются в авиации и на железнодорожном транспорте. Созданные автомобильные АБС еще весьма дороги и эффективность их райоты не в полной мере отвечает предъявляемым требованиям,

Многие зарубежные фирмы интенсивно работают над созданием новых конструкций АБС и повышением эффективности ей функционирования, В этом направлении выполнено значительное количество исследовательских работ,и в наией стране этог^у вопросу посвяшны исследования Автушко В.П., Балакина БД., Гапояна Д.Т., Гредеску-ла А.Б,, Генбома Б.Б., ГУревича Л,В,, Гецовича Е.М., Ечеисто-ваЮ.А., йларионова В.А., Косолапова Г.М., Ломаки С,И., Меламу-да P.A., Морозова Б.К., Уетлвжа Н.Ф., Нефадьева Я.Е., Петрова В.А., Петрова U.A., Пчелина К.К., Резина A.A., Фалькевича B.C., Фрумки-на А.К. и др. В результате накоплен богатый теоретический и экспериментальный материал, позволяющий решать большой круг задач, связанных с разработкой отечественной, автомобильной АБС.

Подавляющее большинство известных на сегодняшний день АБС, являются релейными системами, работаязщми по принципу азтоколеба-

тельного изменения тормозного момента относительно заданной точки регулирования '[5,38,39 ,40]. Для организации рабочего процесса этих систем используется информация об угловой скорости колеса и ее производных [41,61,87,93]. Повышению эффективности работы релейных АБС уделяется серьезное внимание. Разработаны методики оптимизация параметров элементов систем для обеспечения одновременно хорошей устойчивости и тормозной эффективности [5,9], исследовано влияние аппаратурных погрешностей на реализацию алгоритма АН? [3,41]. Много работ посвящено совершенствованию алгоритмов функционирования АБС [8,9,10.19,32,34,39,74,78,87,80 и др.] ,

Выполнены исследования эффективности применения АБС на автомобиле [з4,67,68,77,79,84,86,87.89,91,92,94,96,99,100,103 и др.]. Получены данные, характеризующие различные варианты регулирования и схемы применения АБС с позиции их влияния на показатели активной безопасности автомобиля при торможении и его комфортабельность.

Влияние АБС на эксплуатационные свойства автомобиля принято оценивать эффективностью ее работы. Под эффективностью работы АБС понимается комплексное качество, выражавдее способность этой сиотомы влиять на устойчивость и тормозные свойства автотранспортного средства, а также на расход запасов рабочего тела его рабочей тормозной системой [II]. Тормозные свойства автомобиля и устойчивость оценивают показателями, численно связанными соответственно с величиной тормозного пути и отклонениями от заданной траектории движения [71].

Многочисленными исследованиями установлено, что при применении АБС устойчивость автомобиля существенно улучшается* Имеющиеся в литературе данные по результатам испытаний антиблокировочных систем говорят о том, что существуете их конструкции практически

в любых условиях обеспечивают устойчивость автомобиля [12] . Намного большие затруднения возникают с обеспечением тормозной эффективности . Анализ работ [83,96] показывает, что наилучших результатов мошо достичь при шщивидуатьном регулировании каящо-го колеса автомобиля, особенно на скользких и относительно ровных дорогах.

Исследования эффективности работа реле&шх АБС иа автомобилях с пневматическим приводом тормозов показывает наличие в каждом цикле работы этих систем блокирования, а также полного растормаяи-вания колес, что особенно неблагоприятно влияет на тормознут эффективность ю].

Необходимо отметить, что требования повышения устойчивости и эффективности при торможении автомобиля неразрывно связаны друг с другом, поэтому в последнее время появились работы по оптимизации режимов функционирования АБС с целью определения компромиссна го решения между этими двумя противоречивыми требованиями ^5,9] .

Снижение эффективности работы автомобильных АБС в зпастельной маре связано с воздействием разного рода [12], которые можно условно разделить на две группы. Первая из них обусловлена конструктивными особенностями автомобиля, К ней молно отнести крутильные и продольные колебания колеса на упругих связях подвески, дно баланс колес, гистерезис и инерционность тормозного привода и тормозных механизмов и т.п.

Ко второй груше можно отнести возмущения, зависящие от условий движения автомобиля и носящие случайный характер. Это изменение нормальной �