автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка метода регистрации микропрофиля дороги с целью исследований плавности хода автомобиля

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

"МАМИ"

На правах рукописи

ргб оа

■ , г-.-, --о

НДИКУМАНА ЭДУАРД I ! ' ^

РАЗРАЬОТКА МЕТОДА РЕГИСТРАЦИИ МИКРОПРОФИЛЯ ДОРОГИ С ЦЕЛЬЮ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛАВНОСТИ ХОДА АВТОМОБИЛЯ

Специальность 05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины».

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000г.

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете "МАМИ" на кафедре "Автомобили".

Научный руководитель кандидат технических наук,

профессор И.С. Степанов

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор В.А.Савочкин

кандидат технических наук, профессор В.П. Жигарев

Ведущая организация НАМИ

Защита диссертации состоится 22 ноября 2000г. в 16 час. па заседании диссертационного совета К 063.49.01 в Московском государственном техническом университете "МАМИ" по адресу: 105839, Москва, ул. Б. Семеновская, д.38.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 105839, Москва, ул. Б. Семеновская, 38, "МАМИ", Ученому секретарю диссертационного совета К 063.49.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "МАМИ".

Автореферат разослан октября 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент В.И. Порядков

Оьц-тм-м-оЫк.о + Оьь-омшл

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Микропрофиль автомобильных дорог и качество подвески автомобиля являются важнейшими факторами, определяющими плавность хода, скорость и безопасность движения автомобиля.

Располагая эффективными методами аналитического описания движения автомобиля в реальных условиях, можно с минимальными затратами проводить поиск и оценку принципиально новых конструктивных решений, находить оптимальные параметры подвески автомобиля или сочетания ряда параметров или, по крайней мере, уменьшать степень неопределенности при принятии конструкторских решений. Иначе говоря, правильным расчетом параметров автомобильной подвески при верной оценке характеристик мшсропрофиля дороги можно свести к допустимому уровню интенсивность колебаний автомобиля.

Для проведения таких расчетов и для ряда других целей нужна запись микропрофиля и его статистические характеристики.

На автомобиль при его движении по дороге воздействуют дорожные неровности (микропрофиль), а их статистической характеристикой, необходимой для расчета автомобильной подвески, является функция спектральной плотности (дисперсия высот неровностей, корреляционная функция).

Таким образом, для решения задач, связанных с плавностью хода автомобиля, методами статистический динамики, необходима запись микропрофиля дороги, как исходный материал для определения его статистических характеристик.

Запись микропрофиля дороги требуется не только для получения его статистических характеристик, но и для непосредственного использования, например, при исследовании автомобильной подвески путем математического моделирования, а также при оценке эксплуатационных характеристик дорог и степени износа дорожного покрытия и, следовательно, объема работ по их ремонту.

Автомобильные дороги с твердым покрытием (и их микропрофили) различаются между собой в зависимости от класса (категории) дороги, степени ее изношенности и других факторов, но в любом случае они соответствуют определенным стандартам. Таким образом, в большинстве случаев можно подобрать требуемый для исследователя микропрофиль из числа опубликованных, независимо от того, в какой стране или регионе находится данная дорога. Совсем иная картина складывается, если речь идет о дорогах, не имеющих твердого покрытия -грунтовых, щебеночных и грейдерных. Их микропрофиль в определяющей степени зависит от множества факторов: от региона, в котором расположена дорога, от почвенных и климатических условий местности, ее рельефа, от характеристик движущихся по ним автомобилей и скоростей их движения, которые, в свою очередь, зависят от условий оплаты труда водителей, их квалификации, темперамента и т.д. Таким образом, если ставится задача исследования плавности хода автомобиля на дорогах без твердого покрытия применительно к определенному региону, то корректно она может быть решена лишь при услозни, что исследователь располагает сведениями о микропрофиле именно этих дорог. Если не предполагается глобального обследования местных автомобильных дорог в

различных странах и регионах, это означает, что исследователь должен иметь возможность регистрации микропрофиля именно тех дорог, которые интересуют его в соответствии с решением конкретной задачи.

Целью работы является разработка метода регистрации микропрофиля автомобильной дорога и создание устройства, реализующего этот метод.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1) аналитический обзор существующих методов и устройств для регистрации микропрофиля автомобильных дорог;

2) анализ воздействия микропрофиля автомобильной дороги на динамическую систему (модель) автомобиля;

3) разработать идеологию устройства для регистрации микропрофиля автомобильной дороги и применимой к нему системы записи;

4) провести аналитическую оценку работоспособности разработанного устройства;

5) изготовить опытный образец устройства для регистрации микропрофиля автомобильной дороги;

6) провести экспериментальные исследования и проверку работоспособности устройства.

Методика проведения исследований:

Для теоретических и экспериментальных исследований возмущающего воздействия микропрофиля дороги на движущийся автомобиль применяются методы теории случайных функций и статистической динамики. Одновременно с теоретической оценкой точности записи созданного устройства проводится экспериментальная проверка его функционирования.

Основные положения, выносимые на защиту;

1) метод и система преобразования микропрофиля автомобильной дороги в сигнал, пригодный для регистрации;

2) разработанное устройство для регистрации микропрофиля автомобильной дороги;

3) система записи сигнала, изображающего микропрофиль дороги ("система сбора информации");

4) результаты натурных испытаний разработанного устройства для регистрации микропрофиля дороги.

Научная новизна:

разработана система регистрации микропрофиля автомобильной дороги по углу наклона продольного профиля неровности относительно горизонтали по одной, двум или более колеям; разработана система записи ("система сбора информации"), позволяющая оперативно обработать информацию о микропрофиле дороги, приводя ее в форму, удобную для непосредственного применения при моделировании колебаний автомобиля при его движении по дороге реального микропрофиля, или для получения статистических характеристик микропрофиля автомобильной дороги.

Практическая значимость: разработан способ регистрации микропрофиля автомобильной дороги по одной, двум или более колеям движения, позволяющий оценивать качество дороги, определять необходимость и периодичность ремонтных воздействий, оценивать плавность хода автомобиля на данной дороге и планировать перевозки, оценивать

нагруженность агрегатов автомобиля и прогнозировать срок его службы; разработано и изготовлено устройство, реализующее указанный способ регистрации микропрофиля дороги, устройство не содержит дефицитных или дорогостоящих деталей и легко воспроизводимо; разработана системы регистрации сигнала, изображающего микропрофиль дороги, позволяющая непосредственно после обследования дорожного участка получить с помощью компьютера таблицу ординат дорожных неровностей и статистические характеристики микропрофиля.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-методической и научно-исследовательской конференции ТУ "МАДИ", на Международных научных симпозиумах в МГТУ МАМИ и на заседаниях кафедры "Автомобили" МГТУ МАМИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Содержит 144 страницы печатного текста, 5 таблиц, 43 рисунков, список использованной литературы включает 152 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ПО ГЛАВАМ

Во введения дается обоснование темы и формулируются задачи работы. Обосновывается их актуальность для развития теоретических и экспериментальных исследований влияния дорожных неровностей (микропрофиля) на движущийся в реальных условиях автомобиль и, следовательно, на его плавность хода.

В первой главе излагается понятие ключевых слов работы: неровность дороги, микропрофиль и плавность хода автомобиля и указывается связь между ними. Проведен обзор исследований.

Если ограничиться одним продольным сечением дороги, то все неровности по их воздействию на автомобиль разделяются на три группы: Макронеровности - их воздействие на автомобиль как колебательную систему можно рассматривать как статическое; микронеровности - неровности дорожной поверхности, которые при движении автомобиля вызывают динамические воздействия, приводящие к колебаниям масс автомобиля и элементов его подвески и трансмиссии; микроскопические неровности (шероховатость поверхности) - не вызывающие колебаний масс автомобиля, но создающие шумы и высокочастотные вибрации на автомобиле.

Представление продольного профиля в виде случайной функции дает возможность, если известны ее вероятностные характеристики, выраженные функцией корреляции или спектральной плотностью, описать все его эксплуатационные характеристики в обобщенном виде с единых позиции. Для этого предполагается, что функция изменяется только в вертикальной продольной плоскости дороги, и является функцией стационарной, эргодической, имея нормальный закон распределения.

В работе дается аналитическое описание вероятностных характеристик и приведены аналитические зависимости, по которым можно вычислить вероятностные характеристики микропрофиля дороги, дающие представление об

его изменении по длине участка (или случайного колебательного процесса во времени) и о частоте повторения длин неровностей (о преобладающих частотах при случайном процессе).

В соответствии с принятой выше классификацией неровностей по их воздействию на автомобиль, спектральная плотность продольного профиля дороги представляется тремя составляющими:

■ спектральная плотность 8(9)н низких частот, оказывающих воздействие на медленно протекающие динамические процессы автомобиля, в частности на процессы, связанные с изменениями скорости движения автомобиля;

■ спектральная плотность 5(6)с средних частот, существенно влияющая на протекание динамических процессов, связанных с колебаниями автомобиля, определяющая плавность хода и нагрузочные режимы элементов подвески и шасси;

■ спектральная плотность 8(9)в высоких частот, определяющаяся шероховатостью дорожного покрытия.

Статистические характеристики микропрофилей дорог, рассматриваемых как случайные стационарные эргодические функции, можно определить двумя методами, основанными на следующих принципах:

• Определяются ординаты профиля дороги. В качестве базы отсчета может быть использована постоянная неподвижная база отсчета ("линия прицеливания" теодолита, туго натянутый трос, лазерный луч и т.п.) или постоянная передвижная база (например, длинная жесткая ферма, последовательно передвигаемая вдоль дороги). Метод дает наиболее точную информацию, однако отличается большой громоздкостью, трудоемкостью и низкой производительностью.

• Определяются статические характеристики микропрофиля дороги по его воздействию на какую-либо динамическую систему. Основным преимуществом метода является большая производительность. Запись обычно производится при эксплуатационных скоростях движения автомобилей.

Устройства для определения степени ровности дорожных покрытии, в соответствии со сказанным, можно разделить на: - устройства, непосредственно замеряющие микропрофиль дороги (т.е. прямым способом); - устройства, замеряющие микропрофиль дороги косвенным методом, т.е. определяющие статистические характеристики микропрофиля по результатам его воздействия на движущийся автомобиль или иную колебательную систему, параметры которой заранее известны.

В параграфе, посвященном способам моделирования колебаний автомобиля, отмечается, что плавность хода автомобиля, т.е. исследование этих колебаний, связывают с изучением системы "человек - автомобиль - дорога" (ЧАД), так как колебания автомобиля, вызванные неровностями дороги, оказывают негативное влияние на водителя, а тот, в свою очередь, влияет на автомобиль (выбирает скоростной режим) и на дорогу (выбирает направление движения).

Существуют следующие способы исследования системы ЧАД, различающиеся применяемыми техническими средствами и тем, какие элементы системы моделируют или оставляют реальными:

• аналитический (расчетный);

в моделирование на ЭВМ;

• натурный эксперимент;

• комбинированный.

При использовании каждого из этих способов возможно применение амплитудного или спектрального анализа, автомобиль может рассматриваться при детерминированном или случайном возмущающем воздействии. Моделировать колебания автомобиля молото различными способами, например, с помощью механических или электрических моделей-аналогов или с помощью решения на ЭЦВМ дифференциальных уравнений, описывающих автомобиль как колебательную систему.

На основе принятой классификации проведен обзор выполненных российскими и зарубежными авторами работ. Рассмотрены различные расчетные схемы, которые могут использоваться при аналитическом исследовании колебаний автомобиля, и целесообразные методы анализа. В параграфе, посвященном моделированию, приведены используемые при этом способе исследования расчетные схемы человека как колебательной системы.

Отдельный параграф посвящен воздействию колебания автомобиля на человека. Система оценки плавности хода автомобиля в настоящее время разработана достаточно полно и многие из применяемых различными исследователями оценочных измерителей учитывают зависимость степени восприятия человеком колебаний от частотного состава воздействия. Эти измерители целесообразно применять при оценке комфортабельности автомобиля. Если ставится задача общей оценки интенсивности колебаний автомобиля на дороге при изменении тех или иных параметров подвески, целесообразно пользоваться более простым измерителем, который было бы несложно получить при моделировании на ЭВМ и натурных дорожных испытаниях. Предъявляемым требованиям отвечает среднеквадратичная величина ускорений подрессоренной части автомобиля, вертикальных и угловых, действующих в продольной вертикальной плоскости. Приведены нормы допустимых виброскоростей и виброускорений, устанавливаемые ГОСТ12.1.012-78*, и нормативы для оценки комфортабельности езды. Согласно ГОСТу, частоты колебаний группируют в октавные полосы, каждая из которых определяется геометрической величиной граничных для данной полосы частот.

В результате анализа литературы автор пришел к выводу, что что известные способы регистрации микропрофиля дорог трудоемки и требуют значительных затрат. Таким образом, была сформулирована задача о создании устройства для определения обобщенного показателя степени ровности дорожного покрытия с целью изучения поведения автомобиля на участках с различной ровностью и включает следующие подходы:

• Разработать простое по конструкции, доступное по стоимости устройство для регистрации микропрофиля дороги.

• Разработать методику использования разработанного устройства.

Работа должна быть ориентирована на использование результатов разработки в реальных дорожных и технических условиях, существующих в Бурунди. Поэтому устройство должно

• базироваться на стандартных деталях,

• быть конструктивно простым,

• быть легко воспроизводимым и доступным для повторения, в быть применимым для всех видов автомобильных дорог,

• не содержать дорогах и дефицитных деталей

Вторая глава посвящена теоретическим основам воздействия дорожного покрытия на движущийся автомобиль. В ней автор подчеркивает, что при расчетах колебаний автомобиля, при учете микропрофиля дороги, его можно оценить: -детерминистически и свести к волнообразному гармоническому профилю или к единичной неровности; - статистически по конкретной его реализации или по статистической характеристике -спектральной плотности ординат (ее введение в расчет более распространено). Полученные по экспериментальным данным корреляционные функции случайного процесса являются функциями неслучайными, и их можно аппроксимировать определенной зависимостью. Приведены зависимости, аппроксимирующие большинство нормированных корреляционных функций (спектральных плоскостей) автомобильных дорог. Показаны формы неровностей, которые могут быть математически аппроксимированы.

При рассмотрении влияния неровностей на колебания машины установлено, что на силовое взаимодействие колеса и неровности оказывает существенное влияние не форма, а высота неровностей. При этом выбранная расчетная модель для анализа реакции машины на эти влияния должна содержать все элементы, необходимые для решения конкретной задачи, и не содержать ничего сверх этого. Часто достаточно бывает ограничиться рассмотрением плоской расчегной модели (модель с четырьмя степенями свободы).

Характер колебаний автомобиля при движении его по дороге во многих случаях определяется взаимной связью колебаний передней и задней подвесок. Многие исследователи этой связью пренебрегают, делая предположение о ее незначительности. Систему сокращают до двух масс (две степени свободы) рис. 1, если показатель распределения масс в = р2/аЬ =1. Тогда система уравнений, описывающих колебания машины, разложится на две независимые подсистемы, описывающие колебания передней и задней частей автомобиля:

Мг+к^+с^- к^х-с^х - О

-кхк-с^+тх + {к1 + + с2)х = к2д +с2д.

где М - часть массы подвески с грузом; т -неподрессоренная масса; сь с2 - жесткость подвески и шины; кь к2 - демпфирование подвески и шин; я -текущая ордината микропрофиля; г, х - обобщенные координаты (амплитуды колебаний оси и кузова); е - коэффициент распределения подрессоренных масс; р -радиус инерции подрессоренной массы; а, Ь - расстояния от центра масс подрессоренной части автомобиля до передней и задней осей.

м

Рис. 1. Упрощенная расчетная модель машины

Отдельный параграф посвящен спектральному анализу колебаний машины, вызванных микропрофилем дороги. Для того, чтобы оценить процесс колебаний, т.е. реакцию системы, необходимо знать ее характеристики и характеристики источника возмущений. Критерием оценки является передаточная функция или частотная характеристика.

Свойства автомобиля как колебательной системы, т.е. его передаточные функции, могут быть определены подачей на «вход» модели детерминированного воздействия, например, синусоидального. При несложных расчетных схемах получаются достаточно информативные данные (амплитудно-частотные характеристики) по «выходам», например, «вертикальные ускорения подрессоренной массы», «динамические прогибы подвески» и т.п. Так как при обработке микропрофиля дороги получают некоторый массив данных, отображающий ординаты микропрофиля, можно определить все статистические характеристики рассматриваемого участка дороги.

Для определения реакции подвески на периодическое возмущение достаточно в уравнении движения машины подставить вместо о/!) его аналитическое выражение.

При расчете вынужденных колебаний от аналитически заданных воздействий существует простая связь между изображениями по Лапласу функции возмущения и функции, описывающей реакцию колебательной системы. В общем виде К(р) =

"У/К(р)(3(р), где - передаточная функция; (2(р) - изображение по Лапласу

воздействия; Щр) - реакция колебательной системы. Это означает, что при анализе плавности хода автомобиля статистические характеристики выходных параметров модели определяются с помощью статистических характеристик микропрофиля дороги (функции спектральной плотности) и передаточных функций расчетной модели. Производится это перемножением ординат амплитудно-частотной характеристики системы подрессоривания автомобиля и ординат функции спектральной плотности дороги на соответствующих частотах. В качестве примера приведены зависимости, выражающие передаточные функции для перемещений и ускорений подрессоренной массы машины и для динамических прогибов подвески.

В третьей главе разрабатывается идеология метода с четким указанием принципа положенного на основу разработки. В общем случае для выбора измерителя, достаточно полно характеризующего воздействие на движущийся автомобиль дорожных неровностей, необходимо проанализировать это возмущающее действие с использованием аппарата статистической динамики. В отличие от математической статистики, с помощью аппарата статистической динамики можно определить, сколько и каких неровностей содержит данный микропрофиль, как эти неровности располагаются по длине рассматриваемого участка дороги. Именно последнее обстоятельство, в конечном счете, определяет возмущающее воздействие дорожных неровностей, т.к. два участка, имеющих одинаковое количество одних и тех же неровностей, могут совершенно по-разному воздействовать на движущийся автомобиль в зависимости от того, как расположены эти неровности. Далее описывается идея, положенная в основу выбора системы записи микропрофиля дороги, устройство для ее реализации, и методика работы с этим устройством.

Для измерения ординат микропрофиля дороги используется двухколесная балансирная тележка, перемещаемая по дороге. Угол наклона балансира, соединяющего оси колес, относительно горизонтали связан с ординатами микропрофиля простой тригонометрической зависимостью. Этот угол через определенные короткие интервалы пути фиксируется запоминающим устройством. После проезда обмеряемого участка дороги получается массив чисел, в определенном масштабе представляющий ординаты микропрофиля с некоторым постоянным шагом. Таким образом, образуется первичная информация, которая служит для получения статистических характеристик микропрофиля или может быть использована непосредственно при моделировании движения автомобиля по дороге реального микропрофиля.

Длина базы устройства (0,15м) выбиралась исходя из минимальных длин дорожных неровностей, которые, с учетом нивелирующих свойств автомобильной шины, определяют верхний предел частотного воздействия дороги на автомобиль при наиболее употребительных скоростях движения.

Конструктивная схема устройства для регистрации микропрофиля автомобильных дорог одновременно по двум колеям представлена на рисунке 2 .

Рис. 2. Конструктивная схема устройства для регистрации микропрофиля автомобильной дороги.

Оно состоит из валика 2, левый по схеме конец которого жестко соединен с левым балансиром 1, на котором размещены два колеса, опирающиеся на дорогу. Правый балансир 7, также имеющий два колеса, может свободно поворачиваться относительно валика 2. Устройство перемещается по дороге с помощью дышла 9, передний конец которого прицепляется к какому-либо транспортному средству или буксируется вручную. Валик 2 может свободно проворачиваться вокруг своей оси относительно дышла 9.

В качестве горизонтали (условно-неподвижной базы отсчета углового перемещения балансиров) используется уровень жидкости (воды) в сообщающихся сосудах 3 и 8. Сосуды жестко прикреплены к дышлу 9 и через шариковый подшипник закреплены на общей поперечной оси устройства. Уровень воды в сообщающихся сосудах в целом всегда стабилизирован относительно горизонтали, так как при движении устройства продольные угловые колебания балансиров не передаются резервуару с жидкостью.

Уровень жидкости в сообщающихся сосудах отслеживается коромыслом 4, концы которого опираются на поплавки 10, и именно положение коромысла и принимается за условную горизонталь. Середина коромысла через шариковый подшипник закреплена на общей поперечной оси устройства. Потенциометры 6 (переменные резисторы) жестко закреплены на коромысле и включены в мостовую схему. Продольные угловые перемещения балансира передаются валикам потенциометров рычажными механизмами 8. Передаточное отношение от балансиров к потенциометрам в нашем случае равняется единице.

В процессе замера микропрофиля дорожного участка балансир 3 отклоняется на некоторых угол в ту или иную сторону от среднего положения относительно горизонтали (коромысла). Эти отклонения через рычажные механизмы 5 передаются валикам потенциометров, что вызывает появление соответствующего электрического сигнала.

Случайные колебания уровня жидкости в сообщающихся сосудах, связанные с возможными продольными ускорениями при перемещении устройства по дороге, минимизируются за счет двух устройств. Во-первых, достаточно малое сечение канала, связывающего сосуды между собой, ограничивает скорость перетекания жидкости из одного сосуда в другой и делает устройство практически нечувствительным к продольным ускорениям колебательного характера. Во-вторых, колебания уровня жидкости в каждом из сосудов не сказываются на положении конца коромысла, поскольку он опирается на поплавок в его геометрическом центре. Случайные вертикальные перемещения переднего конца дышла относительно валика 3 при достаточно большой длине дышла не могут существенно изменить относительное положение сообщающихся сосудов.

Одно из колес устройства снабжено импульсным датчиком, который при движении устройства по дороге задает тактовый шаг замера угловых смещений балансиров. Колея В устройства может изменяться в соответствии с желанием исследователя.

Полученный электрический сигнал преобразуется в цифровую форму прибором системы сбора информации и обеспечивает получение микропрофиля дороги по двум колеям в виде массива ординат с некоторым постоянным шагом. Этот числовой массив хранится в запоминающем устройстве. Статистическая обработка массива по известным алгоритмам дает дисперсию и среднеквадратичные значения микропрофиля, автокорреляционные функции микропрофиля по каждой колее, функции спектральной плотности, а также сведения о взаимной корреляции микропрофилей по двум колеям. В случае необходимости получения сведений о микропрофиле по большему числу колей дороги, количество балансиров может бьггь увеличено.

Следует подчеркнуть, что длина неровностей в которая может регистрироваться устройством, не должна быть меньше длини Ь (0,15м) базы устройства.

В пункте о системе сбора информации описывается разработанная система, предназначенная для записи угловых перемещений объекта, при каждой отметке пройденного им расстояния.

Датчик линейных перемещений выдает сигнал каждый раз при прохождении заданного расстояния. Этот сигнал является командой для записи значений углов датчиков. При этом сигналы от датчиков поступают через усилители и аналоговый коммутатор на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), где он преобразуется в цифровую форму, затем считывается микроконтроллером и регистрируется запоминающим устройством.

Четвертая глава посвящена аналитическому исследованию устройства. Подчеркивается, что статистическая погрешности замера углового положения балансира связана, прежде всего, с трением между корпусом потенциометра и его

валиком. Для преодоления момента трения необходимо приложить определенный крутящий момент на коромысле датчика относительно оси его вращения. Расчет механической части датчика сводится к определению необходимых размеров поплавков для того, чтобы они смогли создавать достаточно большую выталкивающую силу, необходимую для преодоления момента трения потенциометра при допустимых угловых смешениях его валика, удерживая при этом погрешность в определенном интервале величин (< 0,5%). Диаметр поплавков определялся при наихудшим случае (соответствующим максимальной взаимной корреляции микропрофиля дороги под левым и правым балансирами), когда оба балансира смещаются в одном направлении одновременно (угловые перемещения их синхронны и синфазны).

Статистическая оценка точности регистрации разработанным устройством сводится к нахождению абсолютной погрешности устройства с учетом действительного утла (ср) наклона неровности в определенной данной точке и записанного устройством (а). При рассмотрении погрешности на единичной неровности, профиль которой выражается гармонической функцией, абсолютная погрешность прибора будет равна

tg<P ~ tga = a(ff cos Если с практически допустимой точностью можно считать, что tgcp^sincpsicp; tg(x=ssina»a то относительная погрешность определяется зависимостью: 5=(ф-а)/ (2jta/s)=(rc2/6)(L/s)2 (рис.За) где s -длина волны; L -база устройства

Отдельный пункт посвящен исследованию динамических процессов Его суть заключается в динамической оценкой погрешности регистрации и составлении уравнении колебания (движения) устройства.

Так как статистической расчет погрешность был рассмотрен с использованием многочисленных упрощений, при динамическом исследовании оценка точности регистрации проводилась через передаточной характеристики по зависимостью

о __ |ЯФ?1 _ XL

л/2(1-cos.«,)0'5 (рис.Зб)

В обеих случаях результаты расчета показали, что погрешность регистрации 5 уменьшается при увеличения длины неровности s и не превышает 2% (рис. 3).

Д037,

ВД 0-02

,J>.U3*10 J„ 0

J-038., "

£(0 1.01

А. 1

5 10 15

Л > ¿0, Л « Л.

а. б.

Рис. 3 Относительная погрешность 5 [%] (ось ординат) утла, записываемого устройства в зависимости от длины неровности Э[м] (ось абсцисс).

Анализ динамической расчетной схемы устройства (рис. 4) позволил составить следующие уравнения колебания:

а

■4-

Рис. 4. Динамическая расчетная схема устройства

1. При свободных колебаниях

ф1пр + = О

где 1цр - приведенный момент инерции (сумма моментов инерции всех составляющих: коромысла, поплавков, жидкости в двух сосудах и в трубке); Б -сечение соединяющей трубки; II -момент инерция коромысла; ф - угол отклонения жидкости от горизонтали; ш -масса поплавка; р -плотность используемой жидкости .

2. Когда присутствуют колебания, вызванные нарушением горизонтали и воздействием микропрофиля

Ф1пр + гр%ы1<Р =

где -вертикальное перемещение точки А

Уравнения по виду сводится к следующему типу уравнении

тх + [к + Ак./= О

(где i(t) - периодическая функция времени, имеющая обычно вид f(t) = sina>ktX решение которого известного под названием уравнения Матъе (Mathieu).

Решение уравнения отыскали с точке зрения определить ли оно устойчивое или неустойчивое движение т.е. определить если возмущение с течением времени постепенно пропадает или со временем нарастает.

Из найденного решения следует, что система неустойчива, если |D|>1, т.е.

если имеет место неравенство

Icos-^-cos-—--^^-sin^-sin—| |>-1

К со со ¿Р1Р2 и ; I

где А Л/ ' ¡пР , -у , приведенный

момент инерции устройства, ср - угол отклонения уровня жидкости от

горизонта, юп2 = к/1пр

В результате получено, что вертикальное возмущение от микроирофнля дорош не влияет на колебания жидкости в сосудах (рнс. 5); а это означает, что измерительная система устройства устойчива.

1.0

D 0.6 0.2

0 10 20 30 S[m]

---р____:-

Рис. 5. График устойчивости устройства (ось абсцисс - длина неровностей [м], ось ординит - показатель устойчивости системы)

3. При воздействии продольных ускорений

где а - продольное ускорение

4. При воздействии отклонения дышла от своего первоначального положения на некоторый уголь «4P».

■"'®г>ш2~ р®л8111V-^ +1°.4 Ц

- 2g/0 sin у/-0.

где D, d -диаметр сосуды и трубки; v -вязкость жидкости; ДЬ - нарушение горизонтали в двух сосудах.

Результаты расчета показаны на рис.6. Графики построили при d = (0,3...0.7)D. Из графики следует, что в случае воздействия продольных ускорений, с увеличением диаметра трубки d, величина погрешности базирования Ah увеличивается, а в случае воздействия отклонения дышла от своего положения Ahl уменьшается. Для разработанного устройства она составляет примерно 4,5...4,8%. Кроме того, для того, чтобы реакция устройства на воздействие отклонения дышла oí своего первоначального положения на угол вызывающий нормального составляющего ускорения "а" была такая же и при воздействии продольных ускорений "а" диаметр трубки должен составить примерно 0,45...0,50 диаметра сосуда (d = 0,45...0,5D).

Рис.6. Графики зависимости величины погрешности базирования АЬ[м] (ось ординат) от диаметра соединительного канала d[м] (ось абсцисс).

В пятой главе речь идет о проведении экспериментального исследования разработанного устройства.

Суть экспериментальной проверки точности регистрации микропрофиля дороги с помощью разработанного устройства сводится к записи микропрофиля участка дороги с известными параметрами и к сопоставлению результатов,

полученных с помощью устройства и полученных непосредственным обмером высот неровностей на этом участке.

Поскольку при таком подходе реальное выполнение эксперимента встречает ряд трудностей, было принято решение о проведении испытаний устройства на искусственной дороге с точно известными параметрами.

При выборе параметров этой искусственной дорога ориентировались на относительно большую величину высот неровностей (до 80 мм), поскольку именно такие дороги составляют около 70% протяженности дорог родина автора Бурунди и вообще почти всей Африки.

Выполнение разработанной искусственной дороги такое, что, можно изменять высоту неровностей, их длину, форму и порядок чередования.

Методика работы с искусственной дорогой сводится к многократному прокатыванию устройства для регистрации микропрофиля одной стороной (одной парой колес) вдоль разработанного трехметрового участка. Перед каждым прокатыванием микропрофиль дороги перенастраивается, таким образом можно обеспечить как угодно большую суммарную длину участка дороги, на котором производится регистрация микропрофиля.

При прокатывании устройства вдоль «дороги» импульсный датчик, установленный на одном из колес, дает команды с шагом АХ и производится регистрация ординат микропрофиля. Для получения сведений о действительной высоте неровностей, производятся замеры ординат микропрофиля именно в этих точках с помощью контрольного измерительного устройства, представляющего собой П-образную рамку, устанавливаемую непосредственно на горизонтальный пол, на котором лежит «искусственная дорога». Верхняя поперечина рамки снабжена измерительной линейкой, нижний конец которой приводится в соприкосновение с поверхностью «дороги» именно в тех точках, в которых фиксируется ордината микропрофиля устройством для регистрации микропрофиля. Таким образом, получаются сведения о действительном микроирофиле. Сопоставление результатов непосредственного обмера и замеров с помощью устройства регистрации микропрофиля дает окончательные сведения о точности работы устройства.

Перед началом замеров устанавливается нулевое значение измерительных потенциометров устройства. Фиксируется цифровое показание у0 преобразователя электрического сигнала (условный ноль), затем подкладывая подставки определенной высоты под одно из колес балансира, наклоняют балансир на угол а, а затем на угол -а . (В нашем случае а = 10 градусов). Одновременно фиксируются соответствующие этим углам у» (верхний) и у„ (нижний) показания прибора. Таким образом определяется масштаб записи у = 20/(ув-ун).

Измерение микропрофиля выбранного участка реальной дороги производилось путем буксировки устройства вручную со скоростью, выбираемой в зависимости от специфики обмеряемого участка, но не превышающей 5 км/час. В памяти системы сбора информации с определенным шагом дискретизации (в нашем случае 20 см) фиксируются некоторые величины "у", в определенном масштабе, соответствующие утлам а превышения одного колеса балансира над другим. Эти углы определяют ординаты микропрофиля дороги.

Обработка экспериментальных данных производится на основании результатов замеров микропрофилей по определенной программе, написанной на языке Фортран. Методика самой обработки заключается в определении высот неровностей обмеренного участка дороги и в нахождения его статистических характеристик.

По записи "у" соответствующий угол получают следующим образом: а = У-(У-Уо) [градус]

Полученное при этом превышение в любом положении равно

Ля = Дх Бта

Дх - шаг дискретизации

Высоты неровности я (рис.7) сечения поверхности дороги, отстоящие друг от друга на шаг Дх, определяются по формуле .

Я„(пДх) = Дх £ бшс^ к=1,2,3...п

Дисперсия с учетом, что функция центрирована,

* Б 2 А м щ>

У\1

б,

Рис.7. Пример графиков ординат реального профиля дороги как функции пройденного пути, определяемых по записанному углу наклона микропрофиля /а/ и с помощью контрольной измерительной линейки /б/.

Выборочная автокорреляционная функция Яч(х) (рис.8) вычислялась на ЭВМ по дискретным значениям случайной функции £(х) с помощью сумм по известной формуле

1 чг? ^0)=-£

где п = 1,2,3,....- максимальное число шагов ( число интервала АХ); т

= 1,2,3,... - номер шага.

Рнс.8. Пример графиков корреляционной функции И^[м2] от х[м], построенных по результатам обмеров микропрофиля искусственной дороги контрольной измерительной линейкой (....) и устройством для регистрации микропрофиля дороги (_).

Сглаженная выборочная оценка спектральной плотности вычислялась через прямое преобразование Фурье экспериментальной автокорреляционной функции от интервала пути корреляции цифровым методам анализа,

Vе*) = 2*.

Л + 221(1 + сс^^М«»*^

где к - порядок гармоники. Полученные при этом графики показывают, что соответствующие кривые в случае обработки результатов записи микропрофиля устройством и обработки истинных (полученных обмером специальной линейкой) имеют одинаковый характер. Анализ результатов расчета показывает, что - на графике все кривые, т.е. центрированная высота неровности, корреляционная функция и функция спектральной плотности, полученные в ходе обработки результатов записи устройством и непосредственным обмером (линейкой), имеют одинаковый характер; расхождение между значениями величин дисперсии микропрофиля данного рассматриваемого участка дороги, полученной в ходе обработки результатов обмера угла наклона и высот неровности микропрофиля, не превышает 5%, что подтверждает работоспособность разработанного устройства.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Теоретически доказана возможность регистрации микропрофиля автомобильной дороги по углу наклона неровности ее поверхности.

2. Установлено, что система горизонтального базирования, основанная на использования уровня жидкости в сообщающихся сосудах, пригодна для использования в качестве базы отсчета угла наклона профиля дороги.

3. Разработан метод записи микропрофиля автомобильных дорог, обеспечивающий получение информации для моделирования колебаний автомобиля при воздействий на него дорожных неровностей по двум колеям (при исследовании пространственной модели).

4. Разработан, построен и испытан измерительный комплекс, состоящий из системы слежения за микропрофиля и системы горизонтального базирования, позволяющий через измерения текущего угла наклона неровностей регистрировать высоты неровности в диапазоне длин от 1,5 до 100м (и более) по одной, двум или боле колеям движения.

5. Разработана система преобразования и накопления информации, позволяющая непосредственно после обследования дорожного участка получить с помощью компьютера таблицу ординат дорожных неровностей и статистические характеристики микропрофиля.

6. Разработана «искусственная дорога» с изменяемыми параметрами, позволяющая, при испытаниях измерительного комплекса для записи микропрофиля дорога, в широких пределах изменять частоту исследования и высоту неровностей.

7. Теоретически исследованиями определена точность замера мнкропрофиля автомобильных дорог, достижимая с помощью разработанного измерительного комплекса.

8. Проведено натурное испытание построенного измерительного комплекса в совокупности образующего устройств для регистрации микропрофиля автомобильной дороги.

9. Разработана и экспериментально проверена методика регистрации мнкропрофиля автомобильной дороги с помощью созданного устройства.

Ю.Установлены закономерности, позволяющие рассчитывать размеры канала, соединяющего сообщающиеся сосуды системы горизонтального базирования. Размеры выбираются на основе компромисса: увеличение сечения канала уменьшает погрешность от случайных продольно-угловых колебаний системы, а уменьшение сечения снижает погрешности от продольных горизонтальных ускорений.

11.Выведены аналитические зависимости, связывающие базу измерительной тележки (расстояние между осями колес) с длинами регистрируемых дорожных неровностей.

12.Теоретически и экспериментально показано, что величина погрешности при использовании разработанной системы регистрации микропрофиля не превышает 5%.

13.Установлено, что по критерию минимизации погрешности базирования диаметр канала, соединяющего сообщающиеся сосуды устройства горизонтального базирования, додакен быть равен 0,45.. .0,5 диаметра сосуда.

14.Показана практически возможность вычислить статистические характеристики автомобильной дороги по записи, сделанной с помощью разработанного устройства.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Ндикумана Э., Степанов И.С. "Устройство для регистраций микропрофиля автомобильной дороги". //ГРУЗОВИК; № 8, М., 1999.

2. Ндикумана Э., Степанов И.С. "О способах регистрации микропрофиля автомобильных дорог". Сборник избранных докладов Международного симпозиума, посвященного 60-летию МГТУ МАМИ. Электронное издание на СБлбЬп, код: 5-94099-00-0. М„ 2000.

3. Степанов И.С., Ндикумана Эдуард "Метод регистрации микропрофиля автомобильной дороги". Тезисы Международного научного симпозиума, посвященного 135-летию МГТУ МАМИ. М. 2000.