CC BY
48
УДК 378.147: 625.032.821
ЭКСПЕРИМЕНТЫ В СОСТАВЕ НИРС СТУДЕНТОВ-АВТОМОБИЛИСТОВ
В.П. Волков, профессор, д.т.н., Э.Х. Рабинович, доцент, к.т.н., М.Х. Буравцев, инженер, В.А. Павлов, С.С. Полевой, С.А. Смагула,
студенты, ХНАДУ
Аннотация. Применение в студенческих экспериментах приемника GPS, спидометра и видеозаписи дает достоверные результаты без дорогого измерительного оборудования. Видео и GPS обеспечивают одинаковую точность, достаточную и для профессиональных исследований.
Ключевые слова: НИРС, выбег, спидометр, видеозапись, GPS, скорость, путь, сопротивление качению, сопротивление воздуха.
Введение
Тридцать лет назад требования научнотехнического прогресса заставили ВУЗы ввести в учебные программы дисциплину «Основы научных исследований» (ныне - «Теория и методы научного творчества», ТМНТ). Формы обучения - лекции, практические занятия и самостоятельное выполнение студентами научно-исследовательских работ (НИРС) с регулярным обсуждением на семинарах их хода и результатов. Успешно выполненная студентом НИР становится основой дипломной работы. В магистратуре дисциплины ТМНТ и «Технология научных исследований» выходят в ряд важнейших.
Краеугольный камень науки - тезис «Практика - источник, цель и критерий истины». Практика, в широком понимании, включает в себя наблюдение, эксперимент и производственную деятельность. Именно эксперимент определяет правильность научного результата. В процессе обучения мы порой сталкиваемся со слабым интересом студентов к теории и методам науки. Но когда дело доходит до экспериментов, даже самые инертные и безразличные оживляются и охотно включаются в работу. К тому же НИРС с экспериментом - практически первая самостоятельная работа, выполняемая не по методичке, а с индивидуальным творческим вкладом.
Подавляющее большинство студентов любит автомобиль, для них эксперимент - увлека-
тельное и захватывающее занятие. Особенно эксперимент на дороге, в процессе движения автомобиля - например, проверка тяговоскоростных или тормозных свойств, устойчивости движения и т.п. Правда, необходимость многократных повторений замеров и кропотливой обработки их результатов несколько снижает накал энтузиазма, но все же большинство НИРС доводятся до успешного завершения.
Однако здесь в высокую науку вторгаются низменные факторы - отсутствие средств и оборудования. Снижение бюджетного финансирования и общее падение производства в стране, лишающее научные организации хозяйственных договоров, оставляют нас и без финансов, и без экспериментального инструментария, и без тестовых автомобилей.
Но выход можно найти. Сегодня во многих семьях есть автомобили, некоторые студенты работают на таксомоторах или имеют друзей с доступом к автомобилю - и часто студенту удается использовать эти машины для экспериментов, особенно если они не связаны с переоборудованием автомобиля. Студенты напрямую заинтересованы в опытах как части будущего дипломного проекта, а потому соглашаются оплачивать топливо.
Проблему экспериментального инструментария, в частности, измерительных устройств решает общая тенденция развития бытовой электроники. Мы уже писали об этом [1].
Сегодня почти у каждого студента есть мобильный телефон с секундомером, у многих - со встроенной видеокамерой, да и качественный цифровой фотоаппарат с видеофункцией совсем не редкость. Есть компьютер или хотя бы доступ к нему. Навигатор GPS используют многие автовладельцы, функция спутниковой навигации имеется в некоторых мобильниках, переносных и карманных компьютерах. Зачастую эта обычная бытовая техника позволяет проводить измерения при экспериментах. Покажем это на примере испытания автомобилей.
При тестах автомобилей приходится сопоставлять результаты расчета и эксперимента, для чего надо знать реальные сопротивления качению и воздуха в каждом конкретном случае. Обновление типажа автомобилей и шин вынуждает регулярно возвращаться к этим вопросам. Того же требуют задачи практики: обоснование линейных и маршрутных норм расхода топлива, нормативов для дорожной проверки автомобилей в эксплуатации и т.п. Поэтому нужно совершенствовать дорожные методы измерения сопротивлений, особенно их варианты, доступные для студентов и практических работников транспорта, т. е. не требующие сложного или слишком дорогого оборудования. Если ограничить требования к точности, то можно использовать указанные выше простые и доступные средства бытовой электроники.
Результаты экспериментов в НИРС
Уже несколько лет мы разрабатываем методику общего диагностирования автомобилей на дороге по времени разгона и выбега, рассчитанную на применение непосредственно водителем. Коэффициенты сопротивления воздуха и качения мы определяем по диаграммам выбега [2] - зависимостям скорости от времени. Мы измеряли скорость штатными спидометрами автомобилей, предварительно проградуированными по показаниям приемника GPS с точностью до 0,1 км/ч. Так, на рис. 1 приведены результаты градуировки спидометра Skoda Fabia. Использованный нами приемник GPS Magellan SporTrak обеспечивает определение места с погрешностью не более 3 м (при дополнительном приеме сигналов системы WAAS). Контрольные значения пути выбега с 50 км/ч для разных автомобилей составляют 450...950 м. При этом абсолютная ошибка 3 м дает относительную погрешность 0,3...0,7%.
Проверка спидометра другого экземпляра БаЫа, выполненная журналом «Авторевю» с помощью комплекса БЛТЯОК стоимостью около 20 тыс. долларов [3], дала близкие результаты: градуировочный график аппроксимируется линейной функцией 0,9589х -2,1786 с той же достоверностью Я2 = 0,99995.
Время мы измеряли тремя способами. В первом способе засекали вручную моменты прохождения стрелкой спидометра оцифрованных точек на шкале с помощью секундомера в мобильном телефоне. Момент полной остановки определяли по перемещению автомобиля относительно дороги.
Во втором способе велась видеозапись движения стрелки спидометра в процессе разгона или выбега. Момент полной остановки также определялся визуально и регистрировался выкриком «стоп», который записывался на звуковую дорожку.
Скорость по спидометру, км/ч
Рис. 1. Градуировочный график спидометра автомобиля Skoda Fabia
Съемку выполняли цифровым фотоаппаратом или мобильным телефоном. Наилучшее качество достигалось, когда снимал сам водитель, удерживая фотоаппарат на ступице рулевого колеса, - изображение спидометра получалось крупным и с минимумом толчков и смазанных участков.
В третьем способе записывали трек приемником GPS. Координаты регистрировались через каждые 10 (или 50) метров пути. Момент полной остановки засекали кнопкой, задающей запоминание выбранной точки.
Видеозаписи затем обрабатывали на компьютере в программе VirtualDub, находя в режиме покадрового просмотра моменты прохождения стрелкой спидометра рисок на шкале. На линейке времени программа индицирует время от начала съемки до данного стоп-кадра. Потом вычисляли интервалы времени At, между соседними значениями скорости, а дальше эти интервалы усредняли
и складывали нарастающим итогом, чтобы получить суммарное время Т, от начала режима до данной скорости
Т = 0 + Л^; Т2 = Т1 + Л^; ... Т= Т-1 + Аи (1)
Путь выбега (или разгона) Д^- для каждого интервала времени подсчитывали, умножая среднюю скорость в м/с в этом интервале (среднее арифметическое между скоростями в начале и в конце интервала ¥-_1 и V) на длительность интервала в секундах А^-. Затем значения пути суммировали
Д% = (У-1 + V) - ЛГ, / (2-3,6); 8,= 8,-! + ДS1. (2)
Записи навигатора ОР8 загружались в компьютер и конвертировались в удобные для работы форматы .1x1 и ^ос. В ходе математической обработки на базе последовательно меняющихся координат (географической широты и долготы) подсчитывался путь автомобиля, по нему и по значениям времени -скорость, затем ускорение.
Путь по координатам подсчитывался при допущении, что часть земной поверхности, на которой ездил автомобиль, достаточно мала, а потому ее можно считать плоской.
Мы выполняли эксперименты на дамбе водохранилища - это оказалась единственная горизонтальная дорога приемлемой длины в окрестностях Харькова, в зоне со средними координатами 50° северной широты и 37° восточной долготы. Направление перемещений было близко к параллели.
Путь мы подсчитывали так:
X = (ф, - Фг+1)'[X]; У, = (5, - 5г+1>[Л;
58 = ; 8 = £ 58г, (3)
г=1
где - - номер точки; п - общее количество точек; X, У - перемещение вдоль меридиана и вдоль параллели, м;-[Х], [У] - масштабы перемещения вдоль меридиана и вдоль параллели, м; для нашей местности [X] = 111 227,0 м, [У] = 71 873,1 м [4]; ф - географическая широта в градусах; 5 - географическая долгота в градусах; 58 - отрезок пути от точки номер 1 до точки номер 7+1; 8 - полный путь от точки номер 1 до точки номер п.
Время навигатор отсчитывает в сутках и их десятичных долях, поэтому
5Т = & - Ы [1]; Т = ^5Тг, (4)
1=1
где ^ - текущее время по показаниям навигатора, сутки; [1] - масштаб времени для перевода суток в секунды; [1] = 24-3600 = 86400; Т - суммарное (накопленное) время от момента, принятого за 0.
Текущие значения скорости V] и ускорения а, вычисляются по очевидным формулам
V, = ад / 5Т,; а, = 5VI / 5Т,. (5)
К сожалению, из-за случайных отклонений измерения и погрешностей округления расчетные значения скорости и ускорений имеют большой разброс; их приходится сглаживать путем аппроксимации.
Параллельное применение этих способов позволило сравнить их между собой. Видеозапись точнее, чем ручная засечка времени, поскольку исключает ошибку, вызванную временем реакции человека. Эта ошибка была разной у разных регистраторов. Наилучший результат - расхождение в одну секунду при полном времени выбега 116 секунд. Но встречались ошибки до 5...6 секунд.
Наличие параллельных видеозаписи и трека позволило сравнить точность двух методов. Вероятно, путь, измеренный навигатором, точнее, чем путь, рассчитанный по видеозаписи. Мы не смогли напрямую сравнить две записи, поскольку во время эксперимента не приняли мер для их синхронизации. После нескольких проб мы совместили записи по моменту прохождения участка скоростей 4550 км/ч (рис. 2). Как видно из рисунка, графики практически совпадают на всем протяжении, кроме участка самых малых скоростей, где градуировка спидометра поневоле была слишком грубой. Обе кривые пути идеально (Я2 = 1,0000) аппроксимируются полиномами четвертой степени.
При анализе зависимости скорости от времени мы ожидали обратной картины - по видеозаписи оба параметра определяются напрямую, а по треку навигатора скорость вычисляется, причем с заметной вариацией. Так и оказалось: хотя аппроксимированные кривые совместились хорошо (кроме участка малых скоростей 20 - 0 км/ч), все же разброс точек на кривой ОР8 весьма ощутим, из-за чего и достоверность аппроксимации хуже.
Итак, точность обоих методов практически одинакова, поэтому мы в последующих экспериментах использовали навигатор только для градуировки спидометра, а все дальнейшие измерения вели по видеозаписи. Понятно, для НИРС эта точность достаточна - но можно ли использовать такие результаты в более серьезных, профессиональных целях?
Не останавливаясь подробно на деталях, приведем полученные описанным методом результаты: для автомобиля §к^а БаЫа коэффициент аэродинамического сопротивления Сх = 0,409665 ~ 0,41, коэффициент сопротивления качению / = 0,01225; для Daewoo Ьапо8 - Сх = 0,40, / = 0,0085.
У «Фабии» коэффициент сопротивления качению весьма близок к минимальному значению 0,0122 для радиальных шин скоростной категории V [5].
Время, с
Рис. 2. Сопоставление диаграмм «путь выбега - время» (верхняя) и «скорость - время», построенных по видеозаписи и по треку приемника GPS
Коэффициент Cx хорошо согласуется с результатами проведенной журналом «Авторевю» продувки в аэродинамической трубе «Фабии», адаптированной к нашим условиям, - Cx = 0,383. Как известно [6], для приве-
дения результата продувки к дорожным условиям надо увеличить его на 5... 10%; наш результат хорошо укладывается в эти границы: 0,41: 0,383 = 1,07. (В литературе для неадаптированных автомобилей приводится значение Cx = 0,35, с чем неплохо согласуются результаты расчетов по пути выбега -
0.377...0.393. с другой стороны, для Skoda Fabia II объявлено значение 0,33, а расчеты по пути выбега дают 0,414...0,450.)
У «Ланоса» объявленное значение Cx = 0,36 (0,40 : 0,36 = 1,11). Коэффициент сопротивления качению 0,0085 - типичный для современных «зеленых» шин типа ECO [5].
Вывод
Итак, применение в НИРС приемника GPS, спидометра и видеозаписи позволяет выполнять эксперименты в объеме НИРС без дорогого высокоточного оборудования и обеспечивает получение достоверных значений искомых величин. Видеозапись и запись трека приемником GPS дают практически одинаковую точность результатов, достаточную и для профессиональных исследований.
Литература
1. Рабинович Э.Х., Браильчук А.П., Мар-
мут И.А. и др. Диагностика автомобиля и компьютерные технологии // Сб. «Проблемы создания новых машин и технологий». Науч. труды КГПУ, вып. 1 (10). Кременчуг, 2001. - С. 501 - 503.
2. Рабинович Э.Х., Волков В.П., Белогу-
ров Е.А. Определение сопротивлений движению по выбегу автомобиля // Вю-ник Схвдноукрашського нац. ун-ту iм. В. Даля. - № 7 (125). - Ч. 2. - Луганськ, 2008. - С. 22 - 25.
3. Диваков А., Кадаков М. Polo-position // Ав-
торевю. - № 10. - 2002. - С. 25 - 31.
4. Куликовский П.Г. Справочник любителя
астрономии. - М.: Наука, 1971. - 632 с.
5. BOSCH. Автомобильный справочник: Пер.
с англ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 992 с.
6. Петрушов В.А., Московкин В.В., Евгра-
фов А.Н. Мощностной баланс автомобиля. - М.: Машиностроение, 1984. -160 с.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 6 июня 2009 г.
