автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка экспериментально-расчетной методики оценки параметров, характеризующих управляемость и устойчивость легкового автомобиля со всеми управляемыми колесами

РГб од

~ 8 ПНТ 1996 Государственный научный центр РФ —

Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт НАМИ

На правах рукописи

БОЧАРОВ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

УДК 629.114.6.012.355.073/075.001.5(043)

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНОЙ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ УПРАВЛЯЕМОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ СО ВСЕМИ УПРАВЛЯЕМЫМИ КОЛЕСАМИ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1996

Работа выполнена в Научно-исследовательском центре по испытаниям и дово,

автомототехники (НИЦИАМТ), гор. Дмитров, Московской обл.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Давыдов А. I

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Гинцбург Л. Л. кандидат технических наук, доцент Бахмутов С. В.

Ведущее предприятие: АО "ГАЗ"

Защита диссертации состоится " 1996 г. в час. на засед.

Диссертационного Совета Д 161.01.01 в Государственном научном центре РФ-

Центральном научно-исследовательском автомобильном и автомоторном инст

(НАМИ) по адресу: 125438, Москва, ул. Автомоторная, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по

занному адресу.

Автореферат разослан" 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Зубакин А. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последнее десятилетие в связи с ростом автомобильно-парка и увеличением средних эксплуатационных скоростей движения легковых гомобилей возросли требования к их активной безопасности. Одним из решений. 1жающих вероятность дорожно-транспортных происшествий, связанных с высо-i скоростью движения, неблагоприятными дорожными условиями или недоста-(ным уровнем водительских навыков и направленных на повышение управлявши и устойчивости, является получившее распространение в последние годы до-1нительное (называемое также "вспомогательным") рулевое управление задними есами. Для системы рулевого управления передними и задними колесами при-шется термин "всеколесное рулевое управление" или абревиатура 4WS (от ан-¡icKoro термина "Four Wheel Steering"). Автомобили, оборудованные системами 5, часто еще называют "полноуправляемыми".

Тема диссертации обуславливается необходимостью совершенствования ме-элогии исследований одновременно с развитием конструкции легковых автомо-ей. Традиционный подход к оценке управляемости и устойчивости заключается в знении результатов, полученных при выполнении типовых испытательных мазов на сухом асфальто-бетонном покрытии, с накопленными ранее статистиче-1и данными. Для составления более полной картины о реакциях автомобиля на |вляющие воздействия, выходящие за рамки типовых, применяются экспертные im. Недостатки традиционного подхода связаны с отсутствием четких критериев ставления инструментально измеренных показателей с экспертными оценками ггелей-испытателей, а также с субъективным характером применяемых методик знализа поведения автомобиля, в частности, в условиях низкого коэффициента ления.

Разработанная для полноуправляемого легкового автомобиля эксперимен-но-расчетная методика оценки управляемости и устойчивости компенсирует статки, связанные с традиционными методами исследований. Цель работы. Разработка и внедрение в практику полигонных испытаний экс-ментально-расчетной методики определения параметров управляемости и ¡чивости легковых автомобилей с передними и задними управляемыми колеса-

Задачи.исследования:

1. Провести структурный анализ критериев, определяющих управляемость и устойчивость, и установить взаимосвязь между инструментальными измерениями при испытаниях и субъективной оценкой водителя-эксперта.

2. Определить объемы и разработать методику исследований управляемости устойчивости легковых автомобилей в различных дорожных условиях.

3. Оценить эффективность применения системы вспомогательного рулевого управления задними колесами на легковом автомобиле с точки зрения повышения его управляемости и устойчивости экспериментальными методами и расчетным пу тем на математической модели.

Методы исследования. Для анализа управляемости и устойчивости в работе использовались численные методы математического моделирования и статистиче ские методы, стендовые и дорожные испытания, методы экспертной оценки.

Объекты исследования. Легковые автомобили среднего класса: полноуправ-ляемые и с рулевым управлением только передними колесами.

Научная новизна.

1. Разработана экспериментально-расчетная методика оценки управляемости и устойчивости легкового автомобиля со всеми управляемыми колесами, которая учитывает потенциально возможные режимы движения в условиях как высокого, та и низкого коэффициента сцепления.

2. Разработана структурная схема критериев и показателей, характеризующи) управляемость и устойчивость, и предложена терминология для их описания. В соответствии со схемой, на основании разработанного алгоритма, инструментально измеренные показатели сопоставляются с критериями органолептической оценки водителя-эксперта.

3. Обоснован выбор необходимой программы испытаний управляемости и устойчивости на базе разработанной диаграммы, устанавливающей связь между режимами движения и управляющими воздействиями.

4. Разработана математическая модель и соответствующее программное обе печение для описания совместного управления передними и задними колесами.

5. Установлено, что оценка эффективности применения вспомогательного рулевого управления возможна по характеристике угла дрейфа и по фазовому сдвиг,

между реакциями угловой скорости поворота автомобиля в плане и бокового ускорения.

6. Разработан метод испытаний управляемости и устойчивости в условиях низкого коэффициента сцепления.

Практическая ценность. Разработанная экспериментально-расчетная методика и структурная схема критериев и показателей, оценивающих управляемость и устойчивость, предназначена для исследовательских испытаний легковых автомобилей. Примененный подход может быть также распространен на другие типы автомобилей, причем "классическая" схемой управления только передними колесами, в соответствии с разработанной методикой, рассматривается как частный случай схемы 4\Л/3.

Реализация результатов. Результаты исследований были использованы при разработке с участием автора нормативных документов: РД 37.001.240-92 "Автотранспортные средства. Методика оценки показателей управляемости и устойчивости в критических режимах движения" и РД 37.052.299-93 "Методика проведения испытаний полноприводных и полноуправляемых автомобилей на управляемость и устойчивость", а также проекта ГОСТ Р "Управляемость и устойчивость автотранспортных средств. Технические требования и методы испытаний". Материалы работы представлялись на Совещании рабочей группы экспертов по вопросам торможения и ходовой части КВТ ЕЭК ООН и использовались при обсуждении поправок к Правилам N 79 (Рулевое управление). Результаты были реализованы при сравнительных испытаниях автомобиля ГАЗ-ЗЮ5 для подбора шин а зимних условиях эксплуатации. Предложенный подход применим к другим категориям автомобилей (грузовым, автобусам). Экспериментально-расчетная методика была использована для оценки управляемости и устойчивости автобуса на шасси грузового автомобиля Р-53. Реализацию работы отражают акты внедрения, полученные, в том числе, от компании Форд Мотор.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и были одобрены на 48-й научно-методической конференции МАДИ в 1990 г., научно-технической конференции молодых специалистов АЗЛК в 1991 г., заседаниях НТС Центрального автополигона в 1992, 1995 и 1996 гг., конференциях Ассоциации автомобильных инженеров России (ААИ) в 1994, 1995 и 1996 гг., кафедры Автомобили МАМИ в 1995 г.. кафедры Колесные машины МГТУ в 1995 г., а также в Отделении по доработке экс-

портной продукции компании Форд Мотор в 1994 г., на Международном Конгрессе SAE в Детройте в 1996 г.

Публикации. По теме диссертации подготовлено 10 публикаций, в т.ч. 4 лечат ные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы, включающего 176 наименов ний, и приложений. Работа содержит 146 страниц печатного текста, в т.ч. 35 рисун ков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность разработки экспериментально-расчетной методики оценки параметров управляемости и устойчивости перспективных легковых автомобилей.

В первой главе приводится обзор существующих методов и критериев оценки управляемости и устойчивости и анализируется их применимость для автомобиля с передними и задними управляемыми колесами.

Проблемам управляемости и устойчивости посвятили свои труды Д. А. Антонов, П. В. Аксенов, С. В. Бахмутов, Ю. А. Брянский, В. В. Брыпев, Л. Л. Гинцбург, А. Д. Давыдов, А. С. Добрин, В. А. Иларионов, Н. Т. Катанаев, А. С. Литвинов, О. В. Майборода, Г. К. Мирзоев, Б. И. Морозов, М. А. Носенков, Я. М. Певзнер, А. Г. Пешкилев, И. К. Пчелин, Г. И. Смирнов, Б. С. Фалькевич, Я. Е. Фаробин, А. А. Хачатуров, Е. А. Чудаков, М. Abe, W. Bergman, J. R. Ellis, Y. Furukawa. F. Hales, M. Iguchi, F. O. Jaksch, W. F. Milliken, M. Mitcke, A. G. Nalecz, M. Olley, H. B. Pasejka, S. Sano, L. Segel, К. H. Senger, Y. Shibahata, D. Weir, J. C. Whitehead и другие ученые.

Изучение управляемости и устойчивости автомобиля как объекта управления, согласно теории автоматического управления, может основываться на анализе его реакции на управляющее воздействие, приложенное водителем к рулевому колесу, а в более общем случае — к педали управления подачей топлива или тормозной педали. Задача, таким образом, сводится к оценке чувствительности объекта управления к управляющему воздействию. Однако ее решение не будет однозначно в силу следующих обстоятельств: известно большое количество показателей для оцен-

ки чувствительности; при исследованиях требуется минимизировать влияние водителя и условий окружающей среды на результаты испытаний; рассмотрение движения автомобиля вне системы "водитель - автомобиль - дорога" (ВАД) идеализирует его характеристики и затрудняет прогнозирование его поведения в реальных дорожных условиях; измеренные показатели должны быть согласованы с субъективной оценкой, даваемой водителем.

Анализ публикаций позволяет сделать следующие заключения.

(1) Теоретические и экспериментальные исследования автомобилей с передними и задними управляемыми колесами в России были проделаны для многоосных и большегрузных автомобилей. Целью при этом было, в первую очередь, улучшение их поворотливости при противофазном управлении передними и задними колесами. Хотя возможность повышения устойчивости за счет уменьшения влияния задних управляемых колес на формирование поворачивающего момента актуальна и для легковых автомобилей, алгоритм построения управляющих воздействий для последних совершенно отличается от такового для большегрузных многоосных машин.

(2) До настоящего времени управляемость и устойчивость автомобилей с передними и задними управляемыми колесами исследованы недостаточно. Приведенные в печати противоречивые результаты исследований 4\/\/3, в частности о стремлении к недостаточной поворачиваемости, а также критика подобных конструкций российскими специалистами показывают необходимость уточнения методов оценки таких автомобилей.

(3) Существующие методы оценки управляемости и устойчивости не позволяют-получить полной и объективной картины о реакциях автомобиля на управляющие воздействия, в том числе, выходящие за рамки типовых. Исследовательская' методика оценки автомобиля со всеми управляемыми колесами позволит оценивать также и автомобили с классической схемой управления только передними колесами, у которых отношение к между средними углами поворота передних и задних колес равно нулю.

С учетом изложенного сформулированы цель и задачи диссертации. • - ■

Во второй главе проводится структурный анализ параметров, характеризующих"" управляемость и устойчивость, раскрывается содержание экспериментально-

расчетной методики исследования, обосновывается выбор оценочных критериев для автомобиля со всеми управляемыми колесами.

Специфика оценки управляемости и устойчивости заключается в том, что ис следователь должен представлять, на сколько сам водитель оценивает поведени( автомобиля. На основании многолетних экспериментальных исследований автомс билей на Центральном азтополигоне определены критерии и показатели, влияющ на управляемость, устойчивость, и взаимосвязь между ними. Структурная схема П( казана на рис. 1. Систематизация проведена суметом значимости критериев, оцениваемых водителем-экспертом при полигонных испытаниях. Такой подход дает основание к сопоставлению органолептических и инструментальных критериев оценки. Определенные значения измеренных показателей (нижний ряд структурно схемы) должны согласовываться с определенными значениями соответствующих критериев экспертной оценки (верхние ряды структурной схемы), выраженными в баллах. Для сопоставления органолептических и инструментальных критериев оценки разработан метод, включающий: выбор показателей и вида испытаний по структурной схеме, выбор маршрута для эксплуатационных режимов движения, прс ведение инструментальных измерений при испытаниях и статистическую обработку результатов, проведение испытаний в эксплуатационных режимах движения с выставлением органолептических бальных оценок, сравнение результатов испытаний и подготовку заключения.

Условия движения автомобиля зависят от бокового ускорения, ау, и частоты управляющего воздействия на рулевом колесе, f. Для высокого и низкого коэффицу ента сцепления разработана диаграмма в системе координат ау-1, отображающая испытания для оценки управляемости и устойчивости, которые воспроизводят движение автомобиля на всем возможном по реализации диапазоне изменения зу и f. На основании ау-^диаграммы была предложена программа испытаний.

Для определения вклада системы 4\Л/Б в улучшение управляемости и устойчивости требуется выяснить целесообразное соотношение между углами поворота передних и задних колес. Эту задачу можно решить с помощью моделирования. Необходимо также проведение эксперимента, поскольку испытуемый автомобиль может иметь закон управления задними колесами, не совпадающий с моделируемым. Поэтому разработанная экспериментально-расчетная методика включает: моделирование; проведение испытаний с регламентацией управляющих воздействий, которые сопоставляются с результатами расчетов; проведение испытаний

рис. 1. Структурная схема критериев и показателей управляемости и устойчивости

с регламентацией траектории движения, обработка которых ведется статистическими методами; экспертную оценку автомобиля в эксплуатационных режимах движения, которая сопоставляется сданными инструментальных измерений. Обобщение всех результатов позволяет дать совокупную оценку управляемости и устойчивости легкового автомобиля со всеми управляемыми колесами.

Разработанный алгоритм установки взаимосвязи между инструментальными измерениями и экспертной оценкой позволил выбрать оценочные критерии для пол-ноуправляемого автомобиля. Критерием оценки курсовой устойчивости будет изменение курсового угла, которое будет зависеть от поворачиваемое™. Расположение автомобиля на траектории зависит от угла дрейфа, р. Этот показатель может быть измерен при испытаниях "окружность" с постоянным управляющим воздействием {Sh = const). Положительный угол дрейфа соответствует избыточной поворачиваемое™, поскольку автомобиль стремится развернуться к центру поворота. Соответственно, отрицательный угол дрейфа будет характеризовать тенденцию к недостаточной поворачиваемое™, а угол дрейфа, равный нулю, покажет стремление автомобиля к нейтральной поворачиваемое™. Поскольку нейтральная поворачивае-мость является наиболее оптимальной для автомобиля, при оценке устойчивости при движении по окружности следует руководствоваться равенством /3 = 0.

Критерием оценки траекторией и курсовой управляемости является чувствительность к управляющему воздействию на рулевом колесе. Она оценивается во время испытаний при смене полосы движения ("переставка") по предельной скорости выполнения маневра, которая будет определяться согласованностью изменения угловой скорости поворота автомобиля в плане и его перемещения в поперечном направлении. Характеристики амплитуды и запаздывания реакций угловой скорости поворота автомобиля в плане, ^ 18», и бокового ускорения, ау/6и, по углу поворота рулевого колеса, которые рассчитываются на основании инструментальных измерений при испытаниях со ступенчатым и псевдослучайным управляющим воздействием, позволяют исследовать данную согласованность. Обобщение результатов предыдущих исследований позволяет установить, что формирование реакций угловой скорости поворота автомобиля в плане и бокового ускорения у автомобиля 4WS происходит независимо друг от друга, и что существует время запаздывания обеих реакций, при котором водители, выполняя маневр по заданной траектории, показывают наилучшие результаты. Для смены полосы движения наиболее оптимальное

положение автомобиля на траектории — когда в каждый момент времени его продольная ось направлена по касательной к траектории. Этого можно достичь, если запаздывание обеих реакций будет примерно одинаковым. Зная, что в критических режимах движения частота управляющих воздействий равна 0,6 ... 0,9 Гц, будем считать базовой частотой выполнения маневра "переставка" частоту ! = 0,75 Гц, при которой и будем проверять фазовый сдвиг между реакциями у//6н и ау/5н.

В третьей главе описывается математическая модель для расчетов, приводятся результаты теоретических исследований, оценивается эффективность применения вспомогательного рулевого управления, выбираются оценочные критерии управляемости и устойчивости полноуправляемого легкового автомобиля для проверки при испытаниях.

Анализ публикаций показывает, что для исследования управляемости и устойчивости легкового автомобиля нецелесообразно создание какой-то новой математической модели. Возможна адаптация одной из-существующих моделей для расчета характеристик полноуправляемого легкового автомобиля. Были сформулированы требования к математическому описанию и установлено, что наиболее подходит к ним одномассовая пространственная модель автомобиля, разработанная в МАМИ.

Выбранная модель автомобиля, схема действующих на него сил и моментов, система координат показаны на рис. 2. При выборе математической модели были сделаны допущения, что автомобиль движется по горизонтальной ровной опорной поверхности с постоянным коэффициентом сцепления, соответствующим сухому асфальто-бетоннаму покрытию, с'постоянной скоростью, при отсутствии вертикальных перемещении кузова, центр масс автомобиля находится в его продольной плоскости симметрйЙ', при моделировании задаются в качёств^начальных условий функции изменения от времени угла поворота руйяГ&Га углы поворота передних и задних управляемых колес определяются- конструктивными параметрами рулевого управления.

Вывод уравнений движения основывается на дифференциальных уравнениях Лагранжа II рода. Рассматриваются три степени свободы: поперечное перемео_е-ние, вращение вокруг вертикальной и продольной осей, а также учитывается перераспределение вертикальных реакций вследствие крена кузова. Боковые реакции на колесах рассчитываются на основании экспериментально полученных

рис. 3. Автомобиль Мицубиси Талант 2000 GTM6V

характеристик стационарного увода. Для учета переходных процессов на формирование боковых реакций использованы уравнения инерционной модели шины первого порядка. Кинематика подвески описывается с помощью коэффициентов перемещения неподрессоренных масс относительно подрессоренных (Способ "производных подвески"). Модель рулевого управления учитывает кинематику и жесткость рулевого механизма и привода.

С учетом принятых допущений уравнения движения автомобиля имеют следующий вид: . , 2 2

- т vy у = Е Е (Fxi/cos - Fm sin S,¡) - Fm; Fx,¡ = f (FklJ; Ff¡¡; F2I¡; /; rk) ;

í=I ¡=i

2 2

m (ay + vx i//) = E E (F^cos & + F„, sin SJ;

J¡ (сц/dt) = (Fx1i eos Su - Fx12 cos Si2) B,/2 + (Fx2,eos S2, - Fx22 eos 822) B2/2+ + (Fx1, sin Su + Fx12 sin S12) h - (Fx2i sin S21 + F,22 sin S22) ¡2 -

- (Fyi, sin S11 - Fy12 sin S12) B/2 - (Fy2, sin S2, - Fy22 sin S22) Вг/2 +

2 2

+ (FyU eos S„ + Fy12 eos 5,2) I, - (Fy2, cos S21 - Fy22 eos S22) l2 + £ ZMa,,;

¡=1

2 2

Jx (¿?2<p/cf) + (K„ + K,¡) (8q>/8t) + (C1y + C2y) <p = E E Fyl¡ f¿y/¿H;

1=1 M

2

¿F* = (F2„ - Fzi2) / 2 -[Kiidtf/dt + Cy,<p - (Fyi, + Fy,2) h - (ду'/а^]/B,; Fzi,.12=m g /2 / L ± AFz1; Fz2b 22=mgi,/L± JFz2;

1>y±i,y/+ (dy'/d<p),j p

a,i = arctg [-] - S„;

vx ± В,ц//2 + (dx'l&p),, <p

Fya = FyaC (1 - e^"); ц - ка/ ey; ka = Fya0 /а;

Fyai¡ — Fyaa¡ Vi - Fx¡¡ / [ixFzij, Fyai — K¿¡e,j, Fy,¡ — Fущ + Fy¿¡. (Su / /'„„ /„„( - Su) Сиз1 + (S12 iНП2/ i uní - Su) Сиа 2 + MK1 - 0; (Su/iuuLní- Si2) CHb1 +■ (Su Lnt/im2 - St2) СиЬ2 + M„2 = 0 /

нс1 I нп1

(SJ

'НЛ4 inn I - Su) + С не 2 lnfJnn2 (Зн / Íhm 1нп2 ~ З12) t

Mk, = f (Fx1¡; Fy1¡; Fz}¡; Mx1¡; Sj¡; ey; Ci¡; rk1¡);

{CHa1; CHá2 i Сиы ', CHb2Сне Ь Curt/ = f (CHM ¡ СИП1 ¡ СНП2 Tjn'f I ни í Ln11 Iнп2 ) >'

k = S2/S,-S, = (Su+ s12) / 2; &¡~ S21 = S2!;

где: т - масса автомобиля; и» Jz - моменты инерции автомобиля относительно пр дольной и вертикальной осей; V* уу - скорость автомобиля в продольном и попере ном направлении; Р%, Ру, Р2 - реакции на колесах автомобиля в направлении соответствующих осей; Ржи ^ Я/ - соответственно силы лобового аэродинамического сопротивления, тяги, сопротивления качению; гк - радиус качения колеса; у - коэффициент распределения силы тяги меяеду ведущими мостами; 8, а, е- соответстве! но углы поворота, увода и развала колеса; КаЬ Ка2 - коэффициенты сопротивления амортизаторов крену для передней и задней осей; Су1, СУ2 - угловая жесткость передней и задней подвески; Ма - стабилизирующий момент шины; 77 - длина релакса ции шины; Руао - текущее и установившееся значение боковой реакции, обусло! ленной уводом колеса; Руе - боковая реакция, обусловленная развалом колеса; К£-коэффициент боковой силы вследствие развала колеса; су - боковая жесткость шины; ¿1, - коэффициент сцепления; М„и М*2 - суммарный момент внешних сил, действующих на переднее управляемое колесо относительно шкворневой оси для правого и левого колеса; и, С- соответственно углы поперечного и продольного наклон шкворневой оси; ¡ни, ¡нт, ¡нпг- соответственно передаточные числа рулевого механизма, левой и правой части рулевого привода; СНм, Снт, СНП2 - соответственно жесткость рулевого механизма, левой и правой части рулевого привода; СНа(, СНал Сны, Сны, Сне, СНс2 - приведенные расчетные жесткости рулевого управления; 6Н -угол поворота рулевого колеса; щ - кпд рулевого механизма; индексы /' = 1 соответствуют передней оси, / = 2 —задней оси, / = 1 — левому колесу, / = 2 — правому колесу. Остальные обозначения приведены на рис. 2.

В работе исследуется диапазон отношения к между средними углами поворота передних и задних колес от 0 (что соответствует "классическому" рулевому управлению только передними колесами) до 0,6. Такой диапазон выбран на основании опубликованных сведений о конструктивных особенностях существующих систем вспомогательного рулевого управления. Причем, к = 0,6 уже не встречается в опубликованных работах и рассматривается как предельный случай. Внутри диапазона к может принимать дискретные значения или описываться в виде функции от времени.

.Моделирование движения автомобиля проводилось в вычислительном центре кафедры Автомобили МАМИ и на Центральном автополигоне с использованием программного пакета иРЯАУ, разработанного в МАМИ под руководством А. Г. Пеш-килева. Программы, входящие в пакет, были адаптированы автором для полно-

управляемого автомобиля. Были разработаны подпрограммы расчета углов поворота задних колес, распределения продольных реакций между колесами полноприводного автомобиля, а также внесены изменения в головную программу пакета, чтобы учесть влияние поворота задних колес на расчет реакций в пятне контакта шины с дорожной поверхностью.

В качестве типового объекта для теоретических и экспериментальных исследований был выбран легковой полноприводный и полноуправляемый автомобиль Ми-цубиси Талант 2000 GTI 16V (на рис. 3 он показан с установленным измерительно-регистрирующим оборудованием "Датрон" и "Автоколлиматор" производства Германии). Данные для расчетов были взяты близкими к конструктивным характеристикам этого автомобиля. Экспериментально были определены на Центральном автополигоне масса и ее распределение по осям, высота центра масс, жесткость подвески, параметры установки управляемых колес.

Базовый для расчетов вариант автомобиля — полноприводный (4WD), при полной нагрузке, с серийными шинами Bridgestone Potenza RE-88 195/60 VR 15 с давлением 200 кПа. Кроме того, расчеты велись для: передне- и заднеприводного варианта (FWD и RWD); автомобиля с частичной нагрузкой (водитель и пассажир на переднем сиденье); шин с недостаточным сопротивлением уводу (шины ЕХ-85 165/70 R 13 ; давлением 190 кПа).

При моделировании движения с заданным постоянным, ступенчатым и псеэдо-:лучайным управляющем воздействии на рулевом колесе установлено, что в зави-:имости от возрастания отношения к, несмотря на увеличение угла поворота руля 1ля сохранения постоянного радиуса кривизны траектории движения (что ха_ракте- • )изует недостаточную поворачиваемость) (рис. 4, а), угол дрейфа стремится к нулю, •.е., водитель затрачивает меньше усилий на корректировку автомобиля вслёдствие ■вода. При относительно высоких значениях к угол дрейфа становится положитель-1ым, и у водителя может возникнуть ощущение, что он поворачивает руль, больше, . ... 1ем необходимо для прохождения поворота. Если дальше увеличивать к, автомобиль начнет двигаться боком (рис. 4, б). Угол дрейфа изменяется с запаздыванием ю отношению к повороту руля: вначале угол дрейфа —положительный, затем ста- ■■• ■ овится отрицательным (рис. 4, в). Для каждого к существует скорость, при которой

гол дрейфа принимает нулевое значение, время установки нулевого угла дрейфа............

ависит от скорости поворота руля (рис. 4, г) и скорости автомобиля (рис. 4, д).

Я.

'II / 2}

«1 / / 1-й /

М1Й 6 / У

А у/ У

/

Управляющее воздействие: постоянное ("окружность") (а, 6); ступенчатое (в. г, д); псевдослучайное (е, ж. з).

потай нагрузка частичная нагрузка

ж) 3)

рис. 4. Расчетные (а - э) и экспериментальные (а - 6) характеристики управляемости и устойчивости полноуправляемого автомобиля

Существует возможность получения одинакового запаздывания реакций угловой скорости поворота автомобиля в плане и бокового ускорения (т.е., поворот автомобиля в плане и боковое движение будут возникать одновременно) (рис. 4, е - з). Изменение к оказывает большее влияние на управляемость и устойчивость, чем тип привода, нагрузка и уводные характеристики шин, которые рассматривались при моделировании. Сравнение результатов расчетов с полученными экспериментально характеристиками показало расхождение между ними, не превышающее 15 - 30%. Результаты эксперимента приводятся на рис. 4, а и б. .

Проведенная оценка эффективности применения вспомогательного рулевого управления позволила определить, что отношение Л зависит от скорости автомобиля, должно возрастать до определенного предела, и поворот задних колес должен происходить с запаздыванием по отношению к передним. В качестве примера был рассмотрен типовой маневр при ступенчатом воздействии на рулевом колесе (скорость автомобиля 80 км/ч, установившееся значение бокового ускорения 0,45д), для которого был предложен закон управления задними колесами (рис. 5, а). Этот маневр затем был воспроизведен при испытаниях, и было получено удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных результатов с погрешностью, не превышающей 20% (см. рис. 5, в).

На основании результатов расчетов были разработаны критерии оценки лол-ноуправляемого автомобиля при испытаниях.

Четвертая'глава посвящена разработке методов испытаний, эксперименталь-^- ■ ной проверке и практическому применению разработанной методики.

В настоящее время испытания на дорогах с высоким коэффициентом сцепления достаточно отработаны. Однако, в связи с необходимостью измерения углов поворота и увода каждого колеса автомобиля, методы проведения испытаний были модифицированы. Примененяемое оборудование позволяет зарегистрировать при движении автомобиля: скорость в продольном направлении: угол поворота рулевого колеса; угловую скорость поворота автомобиля в плане; боковое ускорение автомобиля; скорость автомобиля в поперечном направлении в переднем и заднем сечении; угол крена подрессоренных масс; момент (или усилие) на рулевом колесе; угль! поворота управляемых колес.

Для оценки управляемости и устойчивости на всем диапазоне скоростей дви-

жения и частот управляющих воздействий в зимних условиях эксплуатации разработан новый метод проведения испытаний по заданным траекториям "трасса 1", "трасса 2" (показаны на рис. 6) и "переставка" Зп = 20 м. Проводятся сравнительные испытания не менее чем двух автомобилей, результаты одного из которых принимаются в качестве базовых для сравнения. Использование базового автомобиля — это вынужденная мера, поскольку в настоящее время еще не накоплена статистическая информация по результатам испытаний. В качестве базового автомобиля выбирается доступный все дни испытаний или принадлежащий испытательной лаборатории.

Для повышения объективности результатов: в проведении испытаний участвует три эксперта - испытателя, испытательные маневры "трасса 1" и "трасса 2" осуществляются по замкнутой траектории с выполнением нескольких заездов подряд, несколько раз измеряется скорость автомобиля во время одного испытательного заезда, обработка результатов ведется вероятностными статистическими методами с границами доверительного интервала с 95%-ной надежностью.

При проведении испытаний автомобиля Мицубиси Талант преследовались цели: определения конструктивных характеристик для исходных данных математической модели, исследования работы системы 4\Л/Э. проверки соответствия результатов моделирования характеристикам реального объекта, проведения сравнительной оценки автомобиля, оборудованного 4УУ8, и аналогов с "классической" схемой управления только передними колесами. В качестве аналогов использовались полноприводные автомобили Ауди УВ, Форд Скорпио и ГАЗ-ЗЮ5, сходные по типу привода и компоновке. Нагрузка автомобилей была частичная и полная.

Полученные при испытаниях характеристики поворачиваемости и чувствительности к управляющему воздействию соответствуют расчетным показателям управляемости и устойчивости. Это подтверждается экспериментальными измерениями угла дрейфа (рис. 4, б), а также возникновением бокового скольжения автомобиля на близких к предельным по условиям сцепления режимах; измерениями времени запаздывания реакций при выполнении маневра "рывок руля", а также увеличением предельной скорости выполения маневра смены полосы движения: предельные скорости выполнения маневра автомобилей Мицубиси Талант, ГАЗ-ЗЮ5 и Ауди \/8 составили соответственно 107, 97 и 102,5 км/ч (рис. 5, г). Полноуправляемый автомобиль получил более высокую, по сравнению с аналогами с управлением только

к

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

,1

д\График изменения отношения к при ступенчатом воздействии на рулевое колеса

V4 V ■ \ V N \

\ < ^ \

\ \

градус

у

г): 1- Мицубиси Талант. 2- ГАЗ-ЗЮ5, 3-Ауди \/8

И т

В)

-расчет; -

- эксперимент

рис. 5. Предложенный закон управления задними колесами (а), соответствующие результаты расчетов и эксперимента (б и в), результаты эксперимента при выполнении маневра смены полосы движения (г).

и

И

1С0

Бям мтомобмля, м Шлг »мелки, м

ДО 2.« Ю

2.« ... З.о 13

сшим 9.0 1«

"трасса 1"

рис. 6. Разметка испытательной трассы для испытаний на дорогах с низким коэффициентом сцепления

передними колесами, субъективную оценку водителя-эксперта. Сопоставление инструментальных измерений и экспертной оценки на примере маневра "переставка" показано на рис. 5, г.

Результаты экспериментальных исследований также показывают, что при включении системы 4УУЗ, которая не работает на низких скоростях движения, чувст вительность автомобиля к управляющему воздействию изменяется от "привычной" "большей, чем привычная". Водителю для корректировки траектории движения в этом случае требуется несколько снизить угол поворота руля или усилие на рулево| колесе. Вместе с тем, водитель легко адаптируется к такому изменению чувствительности. В условиях низкого коэффициента сцепления недостаточное сопротивление уводу передней оси снижает траекторную управляемость автомобиля на низких скоростях, когда система 4\Л/Э еще не вступила в работу. Средняя скорость выполнения маневра "трасса 1" составила соответственно для Мицубиси Талант и Форд Скорпио 20,36 и 20,88 км/ч, маневра "трасса 2" — 25,57 и 25,99 км/ч. После включения системы 4\Л/Э наблюдается улучшение чувствительности к управляющии/ воздействиям, что видно по наибольшей предельной скорости выполнения маневра "переставка": 72,0 км/ч у Мицубиси Талант против 68,5 км/ч у Форд Скорпио.

Полноуправляемый автомобиль обеспечивает быструю адаптацию водителя к себе и большой резерв по устойчивости. В целом, внедрение 4\Л/Э улучшает управляемость и устойчивость автомобиля.

По результатам как теоретических, так и экспериментальных исследований установлено, что наличие системы 4\Л/8, тем не менее, не исключает необходимое™ проведения других конструктивных мероприятий по улучшению управляемости и устойчивости: оптимизации распредления нагрузки между осями, кинематики и жесткости подвески и рулевого управления, подбора уводных характеристик шин.

Сделано заключение, что для экспериментальной оценки позитивного и негативного влияния системы 4У\/Э на управляемость и устойчивость автомобиля необходимо проводить испытания в следующем объеме: измерение реакций автомобиля на управление при псевдослучайном воздействии на рулевом колесе; допускается также проведение измерений при ступенчатом воздействии ("рывок руля"); оценку чувствительности автомобиля к управляющему воздействию по предельной скорости выполения маневра смены полосы движения ("переставка"); определение поворачиваемое™ по величине угла дрейфа при движении по окружности, в дополнение

можно также оценивать поворачиваемость в критических режимах движения в зависимости от заноса, сноса или бокового скольжения автомобиля; проверку изменения поворачиваемое™ и реакций автомобиля на управляющие и возмущающие воздействия при изменении условий движения — скорости, бокового ускорения, частоты управляющего воздействия при движении по криволинейным траекториям; оценку управляемости и устойчивости на дорогах с низким коэффициентом сцепления при работающей и неработающей системе 4\ЛК5 при выполнении маневров "трасса 1", "трасса 2" и "переставка"; оценку изменения управляемости и устойчивости при включении системы 4\Л/Б при движении по криволинейной траектории со скоростью от 30 до 70 км/ч и боковом ускорении 4 ... 6 м/с2; оценку изменения управляемости и устойчивости при имитации отказа системы 4\МЗ при движении по криволинейной траектории с высокой скоростью 80 - 100 км/ч и боковом ускорении 4 ... 6 м/с2.

Применение новой измерительной аппаратуры и разработка новых методов испытаний обуславливают развитие нормативной документации. По результатам проведенных исследований были разработаны с участием автора руководящие документы (названия приведены на с. 5 автореферата).

Экспериментально-расчетная методика может быть также распространена на другие типы автомобилей. Предложенная структура показателей управляемости и устойчивости была применена в компании Форд Мотор (США) для исследования характеристик автобуса на шасси грузового автомобиля.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для оценки параметров управляемости и устойчивости легкового автомобиля со всеми управляемыми колесами, необходима разработка методики, включающей экспериментальные и расчетные методы исследований. Математическое моделирование необходимо для расчета отношения между средними углами поворота передних и задних колес, к, обеспечивающего наиболее высокую управляемость и устойчивость. Получение результатов эксперимента, близких к расчетным, будет доказательством правильности подхода к оценке, даже если закон управления задними колесами испытуемого автомобиля не совпадает с заданным при моделировании.

2. Существующие методы исследований не позволяют сделать полную и объективную оценку управляемости и устойчивости автомобиля со всеми управляемыми колесами, поскольку не устанавливают взаимосвязи между инструментальны-

ми измерениями и субъективным заключением водителя-эксперта, а также не охватывают испытаний на дорогах с низким коэффициентом сцепления. Разработанная исследовательская методика оценки, в отличие от традиционного подхода, учитывает потенциально возможные условия движения и управляющие воздействия как для высокого, так и для низкого коэффициента сцепления.

3. Разработанная структурная схема критериев и показателей управляемости и устойчивости позволила получить взаимосвязь методу параметрами, оцениваемыми водителем-экспертом, и измеряемыми в ходе испытаний величинами и установить, что расчетные показатели: нулевой угол дрейфа, соответствующий нейтральной поворачиваемое™; и одинаковое запаздывание реакций угловой скорости поворота автомобиля в плане и бокового ускорения, обеспечивающее наиболее высокую скорость выполнения маневра смены полосы движения, могут быть приняты в качестве оценочных критериев.

4. При расчетах, проведенных на одномассовой пространственной математической модели стремя степенями свободы, было установлено, в частности, что при возрастании отношения к до 0,4 ... 0,5: несмотря на увеличение угла поворота руля для поддержания заданного радиуса кривизны траектории (что характеризует недостаточную поворачиваемость), угол дрейфа стремится к нулю; угол дрейфа изменяется с запаздыванием по отношению к повороту руля, принимая сначала положительное значение, а затем становится отрицательным; для каждого к существует скорость, при которой угол дрейфа принимает нулевое значение; существует возможность получения одинакового запаздывания реакций угловой скорости поворота автомобиля в плане и бокового ускорения (т.е., поворот автомобиля в плане и боковое движение начнутся одновременно). Сравнение характеристик, полученных при расчетах и эксперименте, показало расхождение между ними, не превышающее 15-30%.

5. На основании оценки эффективности применения вспомогательного рулевого управления рекомендуется, что, в зависимости от скорости автомобиля и кривизны траектории, отношение к должно возрастать до определенного предела, и поворот задних колес должен происходить с запаздыванием по отношению к передним: Моделирование типового маневра в соответствии с разработанным законом /правления задними колесами и воспроизведение этого маневра при испытаниях показали удовлетворительное совпадение результатов с погрешностью, не превы-

шающей 20%.

6. При испытаниях полноуправляемого автомобиля предлагается оценивать: чувствительность к управляющему воздействию по частотным характеристикам реакций при управлении рулевым колесом по псевдослучайному закону, а также по предельной скорости выполнения маневра смены полосы движения; поворачивае-мость по величине угла дрейфа при движении по окружности; управляемость и устойчивость на дорогах с низким коэффициентом сцепления при работающей и неработающей системе изменение управляемости и устойчивости при включении и при имитации отказа системы 4\Л/Б на криволинейной траектории. Для повышения объективности результатов в условиях низкого коэффициента сцепления предлагается многократное выполнение заездов несколькими водителями по испытательной трассе, разбитой на характерные, в зависимости от управляющих воздействий, участки, с измерением времени на каждом участке, а также, для учета субъективного влияния водителя-эксперта и изменение состояния покрытия при испытаниях — алгоритм статистической обработки результатов.

7. По результатам эксперимента установлено, что у полноуправляемого автомобиля: недостаточная поворачиваемость, близкая к нейтральной, подтверждается измеренными величинами угла дрейфа и возникновением бокового скольжения на близких к предельным по условиям сцепления режимах; прогнозируемое улучшение чувствительности к управляющим воздействиям подтверждается измерениями времени запаздывания реакций при выполнении маневра "рывок руля" и увеличением предельной скорости выполения маневра смены полосы движения. Результаты инструментальных измерений согласуются с субъективным заключением водителя-эксперта. В условиях низкого коэффициента сцепления полноуправляемый автомобиль показал более высокий уровень управляемости и устойчивости, когда система 4\Л/Э работает, и недостаточную траекгорную управляемость на низких скоростях, когда система 4МЭ еще не вступила в работу.

8. Разработанная экспериментально-расчетная методика оценки управляемости и устойчивости используется при исследовательских испытаниях. Она может быть также распространена на другие типы автомобилей с управлением только передними колесами, которые, в соответствии с методикой, рассматриваются как частный случай полноуправляемых автомобилей при к = 0. Методика использована для разработки руководящего документа РД 37.052.299-93, устанавливающего порядок под-

готовки и проведения испытаний, а также обработки, анализа и оценки результатов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Давыдов А. Д., Бочаров А. В. Испытания АТС на управляемость и устойчивость //Автомобильная промышленность, 1992, № 5. — с. 15-18.

2. Давыдов А. Д., Никульников Э. Н., Бочаров А. В. Особенности управляемости и устойчивости легковых автомобилей со всеми управляемыми колесами //Автомобильная промышленность, 1993, № 9. —с. 11-14.

3. Давыдов А. Д., Бочаров А. В., Плавельский Е. П. Моделирование движения трехосного автомобиля при испытаниях "рывок руля" // Труды НАМИ. — М.: 1991.

4. Бочаров А. В., Давыдов А. Д. Программное обеспечение АДАМС // Автомобильная промышленность, 1995, № 9. —с. 25-27.

if

Подп. к печати: 14.06.96. Объем: 1,0 печ. л., формат: зак. 66,тир. 100

Ротапринт 141800, гор. Дмитров, 7, Московской обл.