автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на самоповорот управляемых колес автомобиля в режиме торможения

ргб о&

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ и ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА САМОПОВОРОТ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС АВТОМОБИЛЯ В РЕЖИМЕ ТОРМОЖЕНИЯ

Специальность 05.22.10- "Эксплуатация автомобильного

транспорта"

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени

На правах рукописи

С АЛА МЕХ Салим Ахмад

Волгоград 1996 г.

Работа выполнена на кафедре "Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей" Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, член- корреспондент академии транспорта РФ Ревин A.A.

Научный консультант: кандидат технических наук, Кранцов Г.П.

Официальные оппоненгга:

доктор технических наук, профессор

Косолалов Г.М.; кандидат технических наук, доцент Сергеев А.П.

Ведущее предприятие :

ГУII Волгоградавтотранс

Зашита диссертации состоится " ^ " ^-^Civ^L 1996 года в д часоа на заседании диссертационного совета К 063. 76. 02 ВАК РФ при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400066, г. Волгоград, проспект В.И. Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан <аи,<~р¿A-.fr 1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент В.А. Ожогин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение безопасности движения автомобилей определяется комплексом мероприятий, среди которых важную роль играют эксплуатационные свойства: динамичность, устой-, чивосгь и управляемость автомобиля в режиме экстренного торможения.

Известно, что одним из наиболее перспективных путей решения проблемы повышения активной безопасности автомобилей в режиме торможения является применение в конструкции АТС антиблокировочных устройств (АБС), устанавливаемых по различным структурным схемам.

В этой связи большую актуальность и практическую значимость приобретают теоретические и экспериментальные исследования, направленные на изучение влияния автоматизированной тормозной системы на рабочие процессы традиционных узлов и систем автомобиля с целью их дальнейшего совершенствования. Одной из таких систем автомобиля является рулевой привод и управляемые колеса, положение которых определяет рулевую поворачиваеыость и, в конечном счете, курсовую устойчивость автотранспортные средства в целом.

Исключение явления блокирования колес, на всех этапах торможения автомобиля и в любых дорожных условиях, требует с одной стороны особого внимания к возможным колебаниям {шоскосги вращения колес под действием возникающих в процессе эксплуатации АТС сил и моментов. С другой стороны, появление нетрадиционных режимов работы колеса и автомобиля требует разработки мер эксплуатационной и конструктивной направленности для снижения возможных отрицательных последствий на их тормозные качества.

Работа выполнялась в соответствия с планом Hill "Автомобильный транспорт" на 1991-95 годы, номер госрегис-традац, НИР 09.012.

Целью работы является определение закономерностей процесса самоповорота управляемых колес автомобиля с автоматизированным тормозным приводом при торможении в различных условиях эксплуатации и выработка рекомендаций по снижению амплитуд отклонения колее и нагружснности привода. *

Методы исследования. В работе использованы метод;,I математического моделирования процесса самоповорота управляемых колес при торможении автомобиля с ЛЕС. На этой основе был поставлен вычислительный эксперимент на ПК 1ВМ-386. Кроме этого была проведена обработка результатов экспериментального исследования автомобилей ИЖ-2125 и КамАЗ- 5320, пропеден эксперимент по определению характеристик захвата водителем рулевого колеса и параметров привода.

Объект исследования. Рулевое управление и тормозной привод автомобилей тина И Ж- 2125 и КамАЭ-5320.

Научная новизна работы заключается в создании математической модели рулевого управления автомобиля в режиме торможения, учитывающей характеристики захвата водителем рулевого колеса.

Вскрыты причины и описан механизм явления самоповорота управляемых колее в режиме торможения автомобиля с различными структурами АБС в следствием влияния эксплуатационных условий.

Описан эффект удвоения частоты изменения поворачивающего момента в условиях неравномерности действия тормозных механизмов.

Практическая ценность заключается в определении экспериментальным путем характеристик захвата водителем рулевого колеса и разработке способов снижения амплитуд самоповорота управляемых колес автомобиля в режиме торможения под действием различных эксплуатационных и конструктивных факторов.

Апробация работы. Материал« диссертации докладывались на 3!, 32, и 33-й научных конференциях ВолгГТУ в 1994, 1995, 1996 годах.

Публикации. По материалам исследований опубликовано две статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списока используемой литературы, содержит 131 страницу основного текста, 37 рисунков и 6 таблиц. Библиография включает 78 наименований.

-3-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность решаемой проблемы и дана краткая аннотация выполненной работы.

В первой глапе проведен анализ эксплуатационных условий, которые приводят к возникновению неравномерности торможения колес' автомобиля вследствие внутренних и внешних причин. Рассмотрены особенности конструкции и рабочего процесса современных АБС, а также структурные схемы их установки на осях автомобиля, которые оказывают влияние на различное проявление неравномерности торможения колес. Проанализированы теоретические и экспериментальные исследования, Д.А. Антонова, А.Б. Гредескула, А.Б. Дика, Е.И. Железнова, В.А. Илларионова, К.С. Колесникова, Г.М. Косола-пова, A.C. Литвинова, Н.Ф. Мепнока, Я.Н. Нсфедьева, В.А. Петрова, А.Г. Пешкилева, И.К. Пчелина, A.A. Репина, Б.С. Фалькевича, Я.Н. Фаробина, И.К. Фрумкина, Н. Leibtr, М. Mitshke, R. Wiegner и ряда других авторов, направленные на повышение эксплуатационных свойств автомобиля в режиме торможения где, в частности, учитывается влияние явления самоповорота.

Проведенный анализ показывает, что вопросы влияния эксплуатационных и конструктивных факторов на самоповорот управляемых колес автомобиля в режиме торможения изучены недостаточно и требуют доработки. В связи с этим, для реализации поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. разработать математическую модель автомобиля в режиме торможения, учитывающую характер захвата водителем рулевого колеса, особенности рулевого управления, структуры управления АБС и эксплуатационные факторы;

2. определил, основные параметры тормозного привода с АБС в различных эксплуатационных условиях;

3. экспериментально оценить уровень и конкретные величины, параметров системы "водитель-рулевое колесо" в зависимости от квалификации и возраста водителя;

4. вскрыть физическую картину и основные закономерности рабочего процесса самоповорота управляемых колес автомобиля в различных эксплуатационных условиях;

5. оценить уровень влияния эксплуатационных и конструктивных факторов на характеристики самоповорота управляемых колее и работу водителя;

6. разработать предложения по снижению амплитуд колебаний колес и нагруженности рулевого привода.

Во второй главе разработана математическая модель автомобиля в режиме торможения с АБС, учитъшающая податливость в местах соединения деталей рулевого привода и характер закрепления рулевого колеса при удержании его водителем.

При этом описание кривых 9(5)- диаграммы выполнено с помощью гладких функций, с учетом протекания рабочего процесса как в докритической, так и в закритической по проскальзыванию областях. Изменение всличииы коэффициента сцепления по пути задавалось детерминированным и стохастическим методом.

Закон изменения киниматических и траекторных параметров автомобиля в режиме торможения в работе определялся на основе решения системы дифференциальных уравнений

2

2

¡-I ¡-1

С(\'у + УхУ)-Сн(Ь-Ьн)г =

2

2

(1)

1-1 ¡-I

2 2

1-1

¡-I

где 1г • момент инерции ысхашчсской системы относительно оси CУZ/; С„. масса неподресеоренных частей; В}- ширина колеи" соответствующего моста; а,Ь- координаты центра масс; Ьн- расстояние от

центра неподрессоренных масс до задней оси; угол поперечного наклона дорожного полотна.

Величина боковой силы катящегося с уводом колеса определялась на основе разработанной Д.А. Антоновым теории нелинейного увода колеса по формуле

0 ±8Х -ап^й

Л

„I

+ 1ж

5 (2)

где - коэффициенты коррекции, - коэффициент сопротивления боковому уводу.

Изменение нормальных нагрузок моделируется с учетом жест-костных и демпфирующих характеристик подвески в виде

^=Кфт + 0'5КХИ,+ЛК1И' (3)

где—значение нормальной реакции на колесах в статическом

состоянии; К^', ЛЛ^ — динамическая нагрузка, передаваемая через рессору при дифференте и крене кузова.

Поворачивающий момент от разности тормозных сил на правых и левых колесах находился по формуле

Мвх-^-^И'р-^к + М» <4)

где: В1^ - тормозная сила на колесе; 3Р - длина поворотной цапфы;

1$ - радиус колес; си - угол развала колес; рш- угол поперечного наклона шкворня. На рис. 1 показана принятая в работе расчетная схема рулевого

управления, которая учитывает податливость закрепления рулевого колеса при удержании его водителем. В соответствии со схемой дифференциальные уравнения движения управляемых колес примут вид

Рис. I Расчетная схема рулевого управления

V 0 ру+ ЬРУ Ору+СРУ0 ру = (К1?1 - к^ИЦ -

-ге(ак +рш) - ЕИ^Уи.ЫК?! - + (5)

+£Мр ~ Мтр^йпбру;

ш* Хт+ Р = Р ; Т ру рм

(6)

где Уру*- суммарный момент инерции колес с приводом относительно шкворня; Сру, Ьру- приведенные характеристики жесткости и демпфирования к углу попорота 0; Мтр),- момент сухого трения; т/- масса тяги.

В1рс1ьсй г лапе в соответствии с принятым подходом проведено экспериментальное определение основных параметров тормозного привода с АБС (закона нарастания давления в приводе автомобилей КамАЭ-5320, ИЖ-2125 и ИЖ-2126), а также темпов изменения давления и тормозного момента при функционировании АБС (характерных участков, точек перегиба и темпов нарастания).

Кроме того, проведены экспериментальные исследования для определения характеристик системы "водитель-рулевое колесо" при участии водителей различного возраста и стажа работы.

Оценка адекватности разработанной во втором разделе математической модели самоповорота управляемых колес произведена на основе сопоставления с экспериментальными данными, полученными при торможении автомобиля КамАЗ-5320 с АБС, имеющей модуляторы Полтавского автоагрегатного завода. Относительная погрешность по углу самоповорота не превышала 8-10 % при полном качественном совпадении результатов.

В четвертой главе проведено исследование влияния эксплуатационных и конструктивных факторов на самоповорот управляемых колес автомобиля в режиме торможения.

На примере анализа процесса торможения автомобиля ИЖ-2125 с различными структурами управления тормозными моментами на пе-

редних управляемых колесах, рассмотрено влияние следующих основных конструктивных параметров рулевого привода и тормозной системы: приведенной жесткости и демпфирования, зазора, плеча обкатки. момента инерции рулевого колеса.

На рис. 2, в качестве примера, показаны зависимости средней амплитуды колебания управляемых колес А за период регулирования тормозных моментов и работы водителя Ац по удержанию рулевого колеса в нейтральном положении в зависимости от приведенной угловой жесткости в приводе управляемых колес Сру.

Из полученного графика следует, что приведенная угловая жесткость управляемых колес практически не оказывает влияния на работу водителя Ав . Увеличение работы водителя в исследуемом диапазоне ЛСру = (0,5 : 2,0) Сру ном110 мере роста Сру было незначительным практически для всех основных структур управления IR, SLL. MIR.

Иная картина наблюдается при анализе изменения реализованных амплитуд колебаний управляемых колес. С одной стороны, увеличение приведенной угловой жесткости, как и следовало ожидать, приводит к снижению амплитуд угловых колебаний, что наглядно проявляется при использовании структур управления типа SIX и MIR. Более сложный характер протекания зафиксирован для независимой структуры управления IR.

Анализ полученных графиков - осциллограмм изменения Opy(t) свидетельствует о наличии явно выраженных резонансных явлений при небольших значениях неравномерности действия тормозных механизмов.

Возникновение резонансных явлений в зоне малых величин нл.т.м. объясняется сложным негармоническим характером изменения поворачивающего момента, который зависит от соотношения времени нахождения колеса в закритической по проскальзыванию области <p(S)- диаграммы. Причем для независимой структуры управления IR это оказывается решающим в зависимости от величины неравномерности действия тормозных механизмов. Так при малой ад.т.м. может возникнуть эффект увеличения частоты изменения поворачивающего момента в 2 + 2,5 раза, что объясняется, двойным переходом экстремума кривой <p(S) за цикл регулирования АБС.

Рис.. 2 Влияние жесткости рулевого привода и структуры управления на амплитуду колебаний колес и работу водителя (сухой асфальт)

- 10В наше?., случае для автомобиля ИЖ- 2125 это привело к тому, Что номинальное значение приведенной угловой жесткости совпало с резонансным ( Сру цом ~ Сру рсз)- Это не замедлило сказаться на протекании процесса самоповорота управляемых колес, который проходил с явно выраженным резонансом, что нашло свое отражение на графике рис. 3.

Изменение физической природы образования неравномерности торможения колес в условиях микст отразилось на влиянии структур управления на показатели А И Ав- Так, если увеличение угловой жесткости в рассматриваемом диапазоне незначительно сказывается на величине работ водителя, то на изменение амплитуды угловых колебаний это влияние весьма существенно. Что касается влияния приведенного демпфирования, го также как и в предыдущем случае в исследуемом диапазоне оно незначительно сказывается как на работе водителя, так и на амплитуде колебаний.

При анализе влияния условий эксплуатации на динамику самоповорота управляемых колес в первую очередь рассматривались следующие факторы: сцепные свойства поверхности дороги, характерные для различных периодов эксплуатации, а также неравномерность действия тормозных механизмов, с учетом наблюдаемой п эксплуатации основной причины ее появления из-за снижения эффективности работы тормозов одного из колес (правого или левого).

Как показывают полученные результаты (рис. 2 и 3) рост неравномерности действия тормозных механизмов на передней оси автомобиля обусловливает в целом повышение амплитуд самоповорота управляемых колес вследствие роста различия в тормозных реакциях, обуславливающих появление основного возмущающего фактора- поворачивающего момента.

Влияние сцепных свойств поверхности дороги на самоповорот

управляемых колес проявляется двояко. С одной стороны, как свидетельствуют проведенные исследования, мы имеем фактор изменения общего фона сцепных свойств дороги и ее флуктуации по .длине, а с другой - явно выраженную в определенные периоды года неравномерность сцепных свойств в поперечном направлении.

А, рад 0,065_

0,0525-

АвЯМрад.

4,25 12,75 17,0 фЛр* 4,25 12,75 17,0

Рис. 3 Влияние жесткости рулевого привода и структуры управления на параметры самоповорота в условиях "микст"

л, рад ' АвйМРЗД

0,04 0,25 /

0,2 1

0,03 / ч Ч~7

0,02 'А 0,15 А

0,01 1 0,01

О 0,2 0,4 0,6 ф0 0 0,2 0,4 0,6 ф0

Рис. 4 Влияние сцепных свойств поверхности на амплитуду колебаний и работу водителя 1- н.д.т.м. = 0%; 2- н.д.т.м. = 15 %; 3- Н.Д.Т.М. = 30 %; 4- н.д.т.м. = 45 %

Для пояснения влияния величины сцепных свойств поверхности дороги на показатели самоповорота управляемых колес при неравномерности действия тормозных механизмов в условиях применения на переднем мосту различных структур управления тормозными моментами на рис. 4 приведены результаты исследования. Их анализ показывает, что основное влияние фактора сцепления на динамику самоповорота колес обусловлено энергетической стороной рассматриваемого процесса и создаваемыми на этом фоне возможностями образования поворачивающего момента.

Проведенный анализ показал, что для снижения явления самоповорота управляемых колес необходимо выполнение следующих условий:

1- приведенная жесткость рулевого привода Сру должна выбираться с учетом возможности возникновения резонансных явлений при функционировании автоматизированного тормозного привода;

2- необходимо принятие мероприятий как конструктивного, так и эксплуатационного характера для повышения приведенного демпфирования в рулевом приводе в 10 + 20 раз, по сравнению с номинальными значениями (15 Нмс у легковых автомобилей и 750 Нмс у грузовых);

3- следует всемерно обеспечивать снижение момента инерции деталей рулевого привода и в первую очередь рулевого вала с колесом, а также продольной тяги;

4- необходимо обеспечить снижение эксплуатационного зазора в рулевом механизме до минимального уровня, что достигается путем применения перспективных конструкций рулевого механизма (реечное рулевое управление) или ужесточением допустимых нормативов при техническом обслуживании для автомобилей, имеющих АБС на переднем мосту;

5- выбор оптимального значения отрицательной величины плеча обкатки следует проводить с учетом основных конструктивных параметров автомобиля и действующих эксплуатационных факторов, определяющих неравномерность торможения колес;

6- на автомобилях с АБС следует рекомендовать применение гидроусилителей руля;

-u-

7- необходимо обучение водителей приемам надежного захвата и удержания рулевого колеса в процессе экстретюго торможения, особенно управляющих автомобилями с ЛБС.

Основные результаты и выводы

1. Анализ эксплуатационных условий при затормаживании управляемых колес автомобиля показывает, что процессу присуще явление самопопорота колес вокруг шкворней, которое изучено недо-

• статочно. Так не учитывается податливость закрепления рулевого колеса, мпогомассовость привода и влияние перспективных структур управления при использовании автоматизированного привода на проявление неравномерности торможения колес.

2. Разработана и реализована на IIK IBM- 386 математическая

• модель автомобиля с АБС, учитывающая жесткостныс и демпфирующие характеристики системы "колеса- рулевой привод- водитель". Применение графического редактора позволяет получение оперативной информации в виде графиков основных зависимостей. Адекватность подтверждена сравнением результатов с дорожным экспериментом на автомобиле КамАЗ- 5320.

3. Экспериментально определены жесгкостиые и демпфирующие характеристики системы "водитель- рулевой колесо" при удержании последнего в нейтральном положении.

4. Выявлено, что эксплуатационные условия, обуславливающие нд.т.м. или "микст" влияют на динамику самоповорота управляемых колес вокруг шкворней посредством структуры управления тормозными моментами (SLL, IR, MIR и т.п.). При нд.т.м. независимая структура (IR) вызывает разнополярные от заданного направления отклонения колес и большую величину амплитуды, а при зависимой низкопороговой (SLL) - однополярные с меньшей амплитудой. В среднем величины самоповорота при IR в 3 + 4 раза больше, чем при SLL. Структура MIR занимает промежуточное положение.

5. В условиях действия типичных эксплуатационных возмущений оценено влияние конструктивных параметров рулевого привода на амплитуду самоповорота и работу водителя. Так увеличение приведенной жесткости на участке "колесо- сошка" приводит к снижению амплитуд (для структур SLL и MIR) и практически не сказывается на работе водителя. Изменение демпфирования в шарнирах рулевых тяг

-15в пределах 2-3 кратного значения от номинала не влияет на показатели. Для заметного снижения амплитуд (до 50 %) требуется увеличение демпфирования в 15 + 20 раз.

6. При выборе величины плеча обкатки управляемых колес должны учитываться эксплуатационные условия (величина реализуемой н.л.т.м. и миксг), а также основные конструктивные параметры автомобиля и приведенная жесткость рулевого привода.

7. В процессе исследования выявлено и описано явление возникновения зоны вторичного резонанса вследствие эффекта удвоения частоты реализованного поворачивающего момента при использовании независимой структуры управления (Ж) в условиях малых величин н.д.т.м.

8. Предложены мероприятия эксплуатационного и конструктивного харакгера, направленные на снижение амплитуд самоповорота колес и передаваемой через рулевой привод энергии: создана методика выбора Сру с учетом наличия резонансных частот колебаний при работе АБС; рекомендовано применение узлов повышенного демпфирования, уменьшение зазоров и снижение масс рулевого колеса.

9. Проведенная оценка параметров курсового движения автомобиля свидетельствует, что относительно высокочастотный самоповорот управляемых колес (более 2 Гц) не влияет на рыскание автомобиля вследствие явления фильтрации частот, а сказывается в первую очередь на снижении надежности рулевого привода.

Основные поло:кеши диссертации опубликованы а следующих работах:

1. Ревин A.A., Саламех С. Определение параметров системы "водитель- рулевое колесо" в режиме торможения,- Волгоград: 1995.8 е.- Деп. в ВИНИТИ № 3130-В95

2. Ревин A.A.. Кранцов Г.П., Саламех С. Модель самоповорота управляемых колес автомобиля в режиме торможения.- Волгоград: 1995,- 12 е.- Деп. в ВИНИТИ Ks 3255-В95