автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка методов и средств испытания автоматизированных тормозных систем легковых автомобилей

Введение.

Глава 1. Состоние вопроса. Задачи исследования.

1.1. Тормозная система современного легкового автомобиля.

1.2. Задача проведения доводочных испытаний автомобилей с АБС.

1.3. Обзор методик дорожных испытаний автомобилей с АБС.

1.4. Методы испытаний автоматизированных тормозных систем в лабораторных условиях.

1.4.1. Стендовые испытания тормозных систем.

1.4.2. Методы моделирования процесса торможения автомобиля.

1.4.3. Опыт применения комплексной технологии моделирования.

1.5. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Принципы разработки технических средств комплексной технологии моделирования (применительно к задаче доводочных испытаний автомобилей с АБС).

2.1. Общая схема комплексной моделирующей установки.

2.2. Принципы построения измерительной системы.

2.3. Структура и функции управляющего вычислительного комплекса.

2.4. Условия достоверного моделирования работы датчиков АБС.

Глава 3. Математическая модель автомобиля с АБС и его подсистем для лабораторных доводочных испытаний.

3.1. Принципы построения математической модели.

3.2. Расчетная схема пространственной модели двухосного автомобиля

3.3. Уравнения, описывающие движение колеса в режиме торможения.

3.4. Математическое описание траектории движения автомобиля.

3.5. Моделирование работы тормозного механизма.

3.6. Моделирование работы рулевого управления.

3.7. Моделирование работы подвески.

3.8. Моделирование работы трансмиссии автомобиля в режиме торможения.

3.9. Моделирование дорожных условий движения автомобиля.

3.10. Моделирование действий водителя применительно к задачам доводочных испытаний автомобиля с АБС.

Глава 4. Комплексная моделирующая установка для проведения доводочных испытаний автомобилей с АБС.

4.1. Электрогидравлическая схема установки.

4.2. Описание испытательного оборудования.

4.2.1. Требования к характеристикам персонального компьютера.

4.2.2. Выбор устройства сопряжения.

4.2.3. Датчики давления.

4.2.4. Средства моделирования работы индукционных датчиков АБС.

4.2.5. Описание программного обеспечения.

4.3. Описание объекта испытаний.

4.4. Результаты моделирования процесса торможения с использованием собранной установки.

Глава 5. Условия и режимы проведения испытаний антиблокировочных устройств на комплексной моделирзЛющей установке.

5.1. Структура доводочных испытаний АБС при использовании комплексной технологии моделирования.

5.2. Мероприятия подготовительной стадии лабораторных испытаний.

5.2.1. Подготовка математической модели и средств ее реализации.

5.2.2. Подготовка тормозной системы.

5.2.3. Методика расчета погрешности измерительного канала.

5.3. Порядок проведения испытаний по оценке влияния АБС на эксплуатационные свойства автомобиля в режиме торможения на КМУ.,.

5.4. Порядок и способ обработки экспериментальных данных.

В настоящее время по сведениям отечественных и зарубежных источников автомобильная электроника переживает настоящий подъем. Уже в 1994 году доля электронных и микропроцессорных систем управления в общей стоимости серийно выпускаемых зарубежных автомобилей составляла 10-15% (в российских автомобилях всего 2-3%) [86].

Из всех электронных систем управления наилучшие перспективы роста признаются за системами безопасности движения и охраны автомобиля, среди которых, в свою очередь, одно из первых мест занимают антиблокировочные системы (АБС) [93]. По статистическим данным в 1997 г. антиблокировочными системами было оснащено 40% легковых европейских автомобилей нижнего среднего класса, 85% автомобилей среднего класса и 99%о автомобилей большого класса [25].

Такое широкое и уже обязательное для некоторых категорий автотранспортных средств применение АБС обусловлено их основными свойствами: способностью сокращать тормозной путь (особенно на скользких поверхностях - до 10-20 %), сохранять устойчивость и управляемость автомобиля при движении и торможении в различных дорожных условиях. По оценкам специалистов из Германии применение АБС позволит снизить число дорожно-транспортных происшествий (ДТП) на 7% [66]. Экономическая выгода заключается в снижении материального ущерба (на 14%), повышении производительности, в предоставлении скидок при страховании перевозок и сокращении затрат на шины из-за уменьшения их износа [13, 66, 93].

Преимущества применения АБС стали очевидными. Законодательные органы различных стран признали этот факт и теперь уже сами, в свою очередь, побуждают производителей автомобилей заниматься установкой АБС. Так, введение "Федерального стандарта по безопасности автотранспортных средств" №121 (ЕМ ¥8 8 121 "Системы пневматических тормозов") стало в

США серьезным стимулом развития антиблокировочных систем пневматических тормозов автобусов и грузовых автомобилей [13, 86]. В Западной Европе действуют два международных нормативных документа: Директива 71/320 стран ЕЭС и Правила №13 ЕЭК ООН, регламентирующие сроки установления АБС на все категории АТС (пока кроме легковых автомобилей). В соответствии с этими документами с 1 октября 1991 года на территории стран ЕЭС была запрещена эксплуатация автомобилей категории N3 (грузовые с полной массой более 16 т) и МЗ (междугородные автобусы с полной массой более 12т), а также прицепов и полуприцепов категории 04 (полной массой более 10 т), не оборудованных АБС. В Японии эти требования вступили в силу с 1992 г., в США -с 1993 г, [86]. Согласно Директиве БЭС 71/320 все автобусы и грузовые автомобили полной массой до 3,5 т, произведенные после 1 января 1998 г., в обязательном порядке должны быть оснащены антиблокировочными системами [74]. Поскольку уже с ноября 1989 года на территории России действуют вышеуказанные международные документы, российскому автомобилестроению . уже приходится и еще предстоит в будущем решать задачи, связанные с внедрением АБС [86].

В связи с активизацией работ по внедрению АБС на автотранспортные средства на первый план выступает проблема проведения испытаний автомобилей с АБС. Опытные образцы АБС перед постановкой на производство последовательно проходят (согласно ГОСТ 16504) доводочные, предварительные и приемочные испытания. Полигонные испытания автомобилей с АБС проходят в чрезвычайно неблагоприятных дорожных условиях и крайне опасны. Скорость автомобилей в режиме экстренного торможения на скользкой дороге превышает 100 км/ч. Кроме того, практически все методики испытаний автомобилей с АБС предусматривают торможение автомобиля на дорогах с продольной и поперечной неравномерностью коэффициента сцепления (испытания "микст", "переход"). В случае с доводочными испытаниями ситуация усугубляется тем, что испытания проходят неотработанные образцы с плохо изученными характеристиками. Последствия полигонных испытаний в этих условиях становятся непредсказуемыми. Это лишь одна сторона проблемы. Другая, не менее важная сторона проблемы заключается в следующем: для того, чтобы результаты дорожных заездов были достоверными и стабильными (в соответствии с требованиями Приложения 13 к Правилам №13 ЕЭК ООН), необходимы специальные дорожные сооружения, которые имеют ровные гладкие покрытия из материалов, стойких к воздействию эрозии и температуры. Подобные сооружения дорогостоящи (порядка 1 млн. дрлларов) и в нашей стране имеются лишь на автополигоне НИЦИАМТ. Отечественные автомобильные заводы в настоящее время подобных сооружений не имеют.

Таким образом, исходя из требований безопасности и по экономическим соображениям, целесообразно максимально сократить объем дорожных испытаний и значительную часть исследовательских и доводочных работ перед проведением дорожных экспериментов выполнять в лабораторных условиях. Актуальность разработки лабораторных методов и средств испытаний автомобилей с АБС, позволяющих существенно сократить объем дорожных экспериментов, была признана, и представляемая работа выполнена в соответствии с грантом по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук, выданным министерством образования на ее проведение (грант №9-53/26-97).

Обобщая и развивая обширный опыт, накопленный сотрудниками Волг-ГТУ, данное исследование предлагает технические и математические средства, позволяющие в лабораторных условиях (максимально приближенных к реальным) испытывать опытные образцы АБС. В первой главе после анализа конструкций тормозных систем современных легковых автомобилей приведены требования нормативных документов, регламентирующих тормозные свойства автомобиля с АБС. На основании указанных требований был произведен выбор комплексной технологии моделирования в качестве лабораторного метода доводочных испытаний АБС.

Во второй главе излагаются те основные принципы, последовательное применение которых позволяет грамотно построить систему сбора данных и управления - главную составляющую часть испытательного оборудования.

Третья глава целиком посвящена изложению математической модели, описывающей динамику торможения легкового автомобиля. Для того, чтобы всесторонне учесть основные факторы, определяющие процесс торможения автомобиля, были проанализированы работы А.А.Ревина, И.М.Пчелина, Г.П.Кранцова, Ю.Я.Комарова, С.Н.Родионова, С.В.Клементьева, Н.Ф.Метлюка, А.А.Хачатурова, В.А Иларионова, В.С.Колесникова, А.С.Литвинова, Я.Е.Фаробина, Я.М.Певзнера, Г.А.Смирнова и др. Применяя неоднократно проверенные уравнения и зависимости в качестве составных частей математической модели, предназначенной для реализации на персональном компьютере управляющего вычислительного комплекса, необходимо было соблюсти главный принцип полунатурного моделирования - расчет модели должен вестись в масштабе реального времени.

Для проверки адекватности предлагаемого метода испытаний была собрана комплексная моделирующая установка, в которой в качестве объекта испытаний использовались исследовавшиеся ранее натурные образцы АБС. В четвертой главе описаны конкретные технические средства, позволяющие реализовать комплексную технологию моделирования: датчик давления, устройство сопряжения персонального компьютера, характеристики самого персонального компьютера, электронная модель датчика АБС.

В пятой главе последовательно перечислены те мероприятия, которые необходимо провести во время подготовительных работ, в ходе испытаний, а также при обработке и анализе результатов испытаний для получения объективной оценки эксплуатационных свойств испытываемой автоматизированной тормозной системы. Были определены условия и режимы проведения испытаний автомобилей с АБС на комплексной моделирующей установке.

1. Состояние вопроса. Задачи исследования

Основные результаты и выводы

1. В настоящее время в качестве наиболее эффективного средства повышения активной безопасности автомобиля в режиме экстренного торможения широкое применение получили антиблокировочные системы (АБС). В связи с этим существенно возрастают объемы испытательных работ по выявлению эксплуатационных свойств автомобилей с АБС, среди которых особую значимость имеют доводочные испытания автомобилей с АБС

2. Проведенные исследования показывают, что для максимального сокращения объема опасных и дорогостоящих дорожных испытаний целесообразно доводочные испытания автомобилей с АБС проводить в лабораторных условиях при максимальном приближении их к реальным.

3. Сравнение различных методов проведения испытаний тормозных свойств автотранспортных средств показывает, что для обеспечения максимального приближения к реальным условий испытаний, а также их воспроизводимости наиболее подходят лабораторные установки, реализующие комплексную технологию моделирования, при использовании в качестве управляющих машин современных персональных компьютеров с развитым интерфейсом.

4. Разработаны средства реализации метода комплексной технологии моделирования. С этой целью были определены принципы построения технических средств реализации комплексной технологии моделирования, а также приведены и обоснованы следующие фундаментальные параметры системы сбора данных и управления:

- состав измеряемых данных и типы передаваемых сигналов;

- частота дискретизации процесса измерения;

- состав и функции управляющего вычислительного комплекса;

- требования к точности измерения и выдаче управляющих параметров.

142

5. Разрабатываемый в работе лабораторный метод проведения доводочных испытаний АБС помимо технических средств предполагает наличие средств программного обеспечения. С учетом этой потребности была предложена математическая модель тормозной динамики легкового автомобиля, предназначенная для реализации на комплексной моделируюпдей установке в реальном масштабе времени.

6. Собран оригинальный макет комплексной моделируюш;ей установки, позволивший проверить адекватность предлагаемого метода проведения доводочных испытаний автомобилей с АБС.

7. Разработаны условия и режимы проведения доводочных испытательных работ на комплексной моделируюш;ей установке, которые позволяют в полной мере учесть требования основного нормативного документа, регламентирующего дорожные испытания систем предотвращения юза колес, -методики ЕЭК ООН (Приложения 13 к Правилам N13).

1. АБС: вещь в себе или вещь для нас?// За рулем.- 1990.-№11 .-с.5-7.

2. Альтернатива электронным АБС/ Ю.Рахубовский, И.Кельман, Ю.Лакетон и др.//Автомобильный тр-т.-1997.-№ 10.-C.29-31.

3. Антонов Д.А. Расчет устойчивости движения многоосных автмобилей.-М. Машиностроение, 1984.-168 с.

4. Антонов Д.А. Теория устойчивости движения многоосных автомобилей. -М: Машиностроение, 1978.-216 с.

5. Ахметшин A.M. АБС для грузовых автомобилей ЗИЛ//Автомоб. пром-ть.-1995.-№3.-с.38.

6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.- 13-е изд., исправленное.- М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит, 1986.- 544 с.

7. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. -М.: Советское радио, 1971.-319 с.

8. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: Колос, 1973.-199 с.

9. ГОСТ 22895-77. Тормозные системы автотранспортных средств. Общие технические требования.- Введены 30.12.77. М.: Изд-во стандартов, 1978.- 15 с.

10. ГОСТ 25478-91. Автотранспортные средства. Требования к техническому состоянию по условиям безопасности. Методы проверки. М.: Изд-во стандартов, 1992. -32 с.

11. ГОСТ 16504 81. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 28 с.

12. Гуревич Л.В. Некоторые результаты экспериментального определения режимов работы тормозных механизмов в эксплуатации// Автомоб. пром-ть.-1972.-№3.- с.20-22.

13. Гуревич Л.В. Разработка и внедрение антиблокировочных тормозных систем автомобилей//Автомоб. пром-ть. 1982. - №7. - с.37.

14. Гуревич Л.В. Регламент дорожных испытаний антиблокировочных тормозных систем//Автомоб. пром-ть, 1983. - №2. - с.28.

15. Гуревич Л.В. Современные методы дорожных испытаний автомобильных антиблокировочных систем. М.: НИИавтопром, 1978. - 98 с.

16. Гуревич Л.В., Меламуд P.A. Тормозное управление автомобиля. М.: Транспорт, 1978.- 152 с.

17. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных приборах. -Д.: Энергоатомиздат, 1988. 303 с.

18. Дадашев Д.Р., Нагиев A.M. Определение параметров торможения при нагреве тормозных накладок// Автомоб. пром-ть. 1978. - №7. - с. 19-20.

19. Димов H.H. Оценка возможности воспроизведения реальных режимов торможения автомобиля на стендах с беговыми барабанами: Автореферат диссертации канд. техн. наук.- Харьков, 1987.- 19 с.

20. Динамика системы дорога шина - автомобиль- водитель/ Хачатуров A.A., Афанасьев В.А., Васильев B.C. и др.- М.: Машиностроение, 1976.535 с.

21. Единые технические требования к промышленным образцам АБС для автотранспортных средств: Проект, 2-я редакция/ Минавтопром СССР, НАМИ.- М., 1978.- 23с.

22. Испытания автомобилей/ В.Б. Цимбалин, В.Н. Кравец, СМ. Кудрявцев и др. М.: Машиностроение, 1978.- 199 с.

23. Исследование и разработка рекомендаций по повышению эффективности тормозной системы и устойчивости грузопассажирского автомобиля Лу-АЗ-969М: Отчет о НИР / ВНТИЦентр; Руководитель Разумов А.Б №ГР 77033975; Инв. Б744278.- М., 1980.- 138 с.

24. Йонес С, Газовский М. Тормозим АБСолютно уверенно// За рулем.-1998.-№3.- с.46-48.

25. Ипарионов В.А. Эксплуатационные свойства автомобиля. М.: Машиностроение, 1966.- 280 с.

26. Клементьев СВ. Система моделирования случайных процессов// Автоматизация поискового конструирования и подготовка инженерных кадров: Тезисы докладов 4-ой Всесоюзной научной конференции.- Волгоград, 1987.- с.86-87.

27. Клементьев СВ. Статистическое моделирование динамики автомобиля/ Волгоград, политехи, ин-т . Волгоград, 1985.-Деп. в НИИавтопром 1.04. 1985, №119.

28. Клепик Н.К. Статистическая обработка эксперимента в задачах автомобильного транспорта: Учебное пособие/ Волгоград, гос. техн. ун-т.- Волгоград., 1995.- 96 с.

29. Колесников B.C. Неуправляемое движение автотранспортных средств при экстренном торможении.- Волгоград: Комитет по печати, 1996.- 208 с.

30. Комаров Ю.Я. Исследование рабочих процессов противоблокировочных тормозных систем на комплексной моделируюш,ей установке: Дисс. канд. техн. наук.- Волгоград, 1981.- 227с.

31. Коренчук Н.Ф. Тепловой расчет тормоза автомобиля по критериальному уравнению// Автомоб. пром-ть.- 1970.- №11.- с. 17-19.

32. Котов B.C. Совершенствование автоматизированных тормозных систем трехосных автомобилей: Дисс. канд. техн. наук.- Волгоград, 1988.-182 с.

33. Котюк А.Ф. Методы и аппаратура для анализа характеристик случайных процессов.- М.: Энергия, 1967.- 240 с.

34. Кранцов Т.Н. Оценка тормозных свойств автомобиля с автоматизированным приводом модельным методом: Дисс. канд. техн. наук.- Волгоград, 1994.- 146 с.

35. Кузнецов Н.Г. Введение в курс математических моделей: Учебное пособие/ Волгогр. с.-х. ин- т.- Волгоград, 1992.- 73 с.

36. Литвинов A.C., Фаробин Я.Е. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство.»-М.: Машиностроение, 1980.-240 с.

37. Мальцев Н.Г. Организационные проблемы АБС// Автомоб. пром-ть.-1997.-№5.- с. 15.

38. Марков Н.И., Конюхов В.В. Отечественные АБС на пути к потребите-лю//Автомоб. пром-ть.- 1996.- №3.- с. 22-24,

39. Мащенко А.Ф., Меламуд P.A., Нгуен Хыу Кап. Определение параметров скоростной фрикционной характеристики тормозов// Автомоб. пром-ть.-1973.-№2.-с.23-25.

40. Метлюк Н.Ф., Автушко В.П. Динамика пневматических и гидравлических приводов автомобилей.-М.: Машиностроение, 1980.-182 с.

41. Механическая антиблокировочная система тормозов автомобилей Ford Fiesta// Автомоб. пром-ть США,- 1996,- №4-5,-с.25-29.

42. Мордашев Ю.Ф., Медведев Ю.М. АБС: импортная или отечественная? Опыт ГАЗа// Автомоб. пром-ть.- 1997.- №5.-с.8.

43. Нагиев А. М. О влиянии нагрева тормозных накладок на параметры торможения автомобилей// Автомоб. пром-ть.- 1977.- №10.- с. 19-20.

44. Непорада A. B . Разработка технического решения и исследование рабочих процессов рекуперативной АБС: Дисс. канд. техн. наук.- Волгоград, 1990.- 151 с.

45. Нефедьев Я.Н. Микропроцессорная АБС// Автомоб. пром-ть.-1991 .-№1.-с.11-13.

46. Нефедьев Я.Н., Болтовский Ю.А., Бирюков СИ. АБС: создание, испытание, производство//Автомоб. пром-ть.- 1995.-№9.-с. 1-3.

47. Никульников Э.Н., Барашков A.A., Маркерян Т.А. Некоторые особенности испытания АБС прицепов// Автомоб. пром-ть.- 1997.-№10.-с.34-35.

48. Никульников Э.Н., Давыдов А.Д., Барашков A.A. Принципы и практика отечественной стандартизации//Автомоб. пром-ть.- 1996.-№11.-С.2.

49. Новиков Ю.В., Калашников O.A., Гуляев СЭ. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM РС/ Под общей редакцией Ю.В. Новикова: Практ. пособие.- М.: ЭКОМ, 1998.-224 с.

50. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений.- Л.: Энергоатомиздат, 1991.- 301 с.

51. Норкевич Э.И., Гутиков Н.Ф. Опыт полигона по применению ПЭВМ типа PC при исследовании тягово-скоростных свойств// Сертификационные испытания, исследования и совершенствование автомобилей и двигателей: Сб. научных трудов.-М.: Иэд. НАМИ, 1994.- с. 65-71.

52. OCT 37.001.067-86. Тормозные свойства автотранспортных средств. Методы испытаний.- М.: Министерство автомобильной промышленности, 1988.- 61 с.

53. Отечественные АБС/ A.M. Галактионов, В.М. Топорков, В.А. Крупчан-ский, O.e. Федорин//Автомоб. пром-ть.- 1993.- с. 17-18.

54. Певзнер Я.М. Теория устойчивости автомобиля. -М.: Машгиз, 1947.- 156 с.

55. Петров В.А. Противоблокировочные системы и их алгоритмы функцио-нирования//Автомоб. пром-ть.- 1979.- №7.- с. 20-24.