CC BY
16УДК 629.113
1 1 2 С.Ю. Костин , А.В. Тумасов , В.А. Колтунов
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ АКТИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОБУСА СРЕДНЕГО КЛАССА МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1, Павловский филиал НГТУ им. Р.Е. Алексеева2
Представлено описание научно-исследовательских работ, выполняемых сотрудниками НГТУ при поддержке ОАО «Павловский автобус», направленных на исследование свойств активной безопасности автобуса среднего класса на основе результатов имитационного моделирования условий движения, регламентированных требованиями нормативных документов.
Ключевые слова: автобус, управляемость и устойчивость, тормозные свойства, моделирование
Повышение активной безопасности транспортных средств является актуальной и значимой проблемой в автомобилестроении, при этом особое внимание традиционно уделялось повышению свойств управляемости, устойчивости и тормозным свойствам.
Все большее значение при выполнении работ, направленных на повышение активной безопасности автотранспортных средств, приобретает имитационное моделирование, представляющее процесс конструирования на ЭВМ модели сложной реальной системы, функционирующей во времени, и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы [1].
В данной работе представлены результаты имитационного моделирования условий движения автобуса среднего класса, имитирующих различные сертификационные испытания: вхождение в поворот, смена полосы движения [2].
В качестве программного комплекса для проведения исследований был выбран программный пакет SDK-Simulation, обладающий значительным функционалом и имеющий широкий спектр возможностей [3]:
• моделирование движения транспортного средства в реальном времени;
• обеспечение высококачественной текстурированной трехмерной визуализации;
• возможность создания моделей транспортных средств категорий M2, M3, N2 И N3;
• моделирование подсистем транспортного средства;
• связь с внешними аппаратными средствами для формирования испытательной системы на базе реальных устройств;
• наличие программируемой модели водителя;
• запись результатов в различных формах и др.
Создание имитационной модели движения транспортного средства в программном комплексе SDK-Simulation можно разделить на несколько этапов:
1) задание параметров транспортного средства (более 70 параметров, описывающих особенности конструкции);
2) формирование окружающей среды (задание параметров полотна пути);
3) задание управляющего воздействия (формирование алгоритма управления транспортным средством);
4) выбор модели водителя (задание времени запаздывания и скорости реакции на изменяющиеся условия движения) и др.
Параметры исследуемого автобуса (рис. 1) были выбраны в соответствии с техниче-
© Костин С.Ю., Тумасов А.В., Колтунов В.А., 2012.
ской документацией на автобус-аналог ПАЗ 320402-03 либо получены расчетным путем на основе сведений, предоставленных специалистами ОАО «Павловский автобус».
Рис. 1. Общий вид модели автобуса ПАЗ
Рис. 2. Схема виртуального полигона
На рис. 2 показана схема созданного виртуального полигона, необходимого для имитации условий сертификационных испытаний, а также проведения комплекса различных исследований. Виртуальный полигон представляет собой набор определенных участков, соответствующих конкретным испытания.
Для проверки работоспособности и предварительной оценки адекватности поведения имитационной модели были выполнены тестовые «заезды». В качестве тестового испытания была проведена имитация испытания «поперечная статическая устойчивость».
Показателем поперечной статической устойчивости, характеризующим склонность транспортного средства (ТС) к опрокидыванию, является угол статической устойчивости ас.у, при котором происходит отрыв всех колес одной стороны ТС. С целью определения угла ас.у виртуальной модели автобуса был создан протяженный виртуальный участок дороги с постепенно меняющимся углом косогора. Степень изменения угла в зависимости от расстояния показана на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость угла косогора от пути
Методика моделирования условий опрокидывания автобуса, эквивалентных условиям реальных испытаний по оценке статической устойчивости, заключается в определенной последовательности действий. Испытуемую модель автобуса устанавливают на дорожное полотно таким образом, чтобы его продольная ось была параллельна дороге. Управляемые колеса ТС должны находиться в положении, соответствующем прямолинейному движению. Далее автобус с малой скоростью на первой передаче должен двигаться по протяженному участку дороги с меняющимся углом косогора до момента отрыва сначала одного, а затем и всех колес одной стороны. Момент отрыва в данном случае определяется уже не визуально, а по величине нормальных реакций на колесах. Главным отличием используемого подхода от реальных условий проведения испытаний является то, что модель автобуса приводится в движение, в то время как при реальных испытаниях ТС находится в неподвижном состоянии и устанавливается на специальной поворотной плите. Тем не менее, ввиду того, что скорость движения модели автобуса относительно мала, а значение коэффициента сцепления колес с дорогой задано относительно высоким (скольжение модели автобуса поперек полотна пути отсутствует), то моделируемые условия следует признать эквивалентными реальным условиям проведения испытаний.
На рис. 4 изображено движение автобуса по заданному участку, где наглядно показано распределение нормальных реакций и момент отрыва всех колес одной стороны.
Рис. 4. Движение модели автобуса по заданному участку
Сравнительный анализ результатов сертификационных испытаний с данными имитационного моделирования представлен в табл. 1. Видно, что расхождение значений составляет 13,3%, что обусловлено допущениями, принятыми в модели.
Таблица 1
Сравнение результатов математического и имитационного моделирования
Угол статической устойчивости, град.
Сертификационные испытания 45
Имитационное моделирование 51
Расхождение, % 13,3
На основе разработанных виртуального полигона и модели автобуса были выполнены имитационные испытания, соответствующие условиям проведения сертификационных испытаний «поворот» и «переставка».
Для более точной оценки возникновения отрыва хотя бы одного из колес в ходе виртуальных испытаний были проанализированы графики изменения нормальных реакций на колесах на участке выполнения маневра для испытаний «поворот» и «переставка» (рис. 5 и рис. 6). Нумерация колес, нормальные реакции которых изображены на графиках, соответствует рис. 7. Результаты, представленные на графиках, позволяют констатировать факт отсутствия отрыва колес во время испытаний, поскольку не одна из величин не имеет нулевого значения.
Характер изменения закономерности, представленной на рис. 8, подтверждает возникновение сноса передней оси во время испытания, о чем наглядно свидетельствует возрастание значений угла поворота рулевого колеса на интервале от 53,5 до 55 с, что обусловлено стремлением виртуального водителя вернуться на заданную траекторию движения. Анализ зависимости, изображенной на рис. 9, показал, что наиболее интересным является второй цикл изменения угла поворота рулевого колеса (интервал с 47 до 50 с), поскольку наличие данного цикла свидетельствует об удержании автобуса на траектории путем подруливания.
Рис. 5. Распределение нормальных реакций при имитации испытания «поворот»
Рис. 6. Распределение нормальных реакций при имитации испытания «переставка»
Рис. 7. Принятая схема нумерации колес модели автобуса (вид сверху)
2 «о
1
1
' )М 1
Л
' \
\ г Л
\ / \
\
»? 4 В >1 1 4
Рис. 8. Зависимость угла поворота рулевого колеса от времени при испытании «поворот»
Г \
и _\_
/ Д
/
/ / \ :_л_ /
г 41 \ 4»\ 4) / / » / 4« 47\ 4« / 411 ч /1 1\ ;/ Т 1 г 1 1 я
л ч П Щ г
V и г
Рис. 9. Зависимость угла поворота рулевого колеса от времени при испытании «переставка»
Результаты моделирования движения автобуса среднего класса в условиях сертификационных испытаний показаны в табл. 2, а также представлены аналогичные сведения об автобусе-аналоге ПАЗ-320402-03, который отвечает требованиям ГОСТ Р 52302-2004.
Сравнительный анализ результатов показывает, что виртуальная модель автобуса позволяет получить схожие с данными натурных испытаний результаты, расхождение составляет для испытания «поворот» 4,5%, для испытания «переставка» 11,1%. Данное расхождение является вполне приемлемым, однако существует необходимость в проведении дополнительных исследовательских работ с целью установления возможных способов повышения точности компьютерного моделирования.
Таблица 2
Результаты моделирования и данные дорожных испытаний
Тип маневра Данные имитационного моделирования (ф = 0,8) Данные дорожных испытаний ПАЗ-320402-03
при полной массе скорость маневра, км/ч
«Поворот» 53,5 > 56
«Переставка» 56 > 63
С целью исследования свойств устойчивости и управляемости модели автобуса среднего класса было рассмотрено поведение модели в условиях движения на скорости выше критической для каждого типа рассматриваемых испытаний.
Анализ результатов дополнительных исследований показал: для испытания «поворот» оптимальным соотношением а/Ь (а - расстояние от передней оси автобуса до центра масс, Ь - колесная база) является 0,38; для испытания «переставка» - 0,5.
Интересным является поиск оптимального соотношения а/Ь для рассматриваемой модели автобуса с точки зрения одновременного достижения наилучших показателей по управляемости и устойчивости. С этой целью рационально воспользоваться так называемым "методом свертки", использование которого можно проиллюстрировать следующим примером: пусть имеются две целевые функции F1(X) и F2(X) одного управляемого параметра X. Предположим, что для каждой из них необходимо найти максимум и значимость каждой из них с точки зрения оптимизации выходных параметров конструкции равнозначна. В этом случае постановка задачи (поиск максимума целевой функции F) в общем виде сводится к следующей:
тах F(X) = ^ ^(Х + X 2 F2(X) , (1)
где X 1 и X 2 - весовые коэффициенты. В том случае, если значимость целевых функций в процессе оптимизации одинакова, весовые коэффициенты равны. Допустим, Х1 = Х2 = 0,5. Графическая интерпретация решения данной задачи представлена на рис. 10.
Следует иметь в виду, что на практике решение задач проектирования таких сложных объектов, как автомобиль (в частности автобус), связано с нахождением экстремумов целевых функций значительно большего количества управляемых параметров, и столь простая графическая интерпретация метода невозможна. Тем не менее, для поставленной задачи возможен поиск оптимального соотношения а/Ь, при котором модель автобуса будет иметь наилучшую управляемость и устойчивость как при входе в поворот, так и смене полосы движения.
/ИХ)
о
п
\ /ИХ)
\ / ЛХ) \
\\ \ \\
у
Л 4 * *
* 4 X
ХР X
Рис. 10. Графическая интерпретация метода свертки
На рис. 10 показаны соответствующие графики, а также график изменения целевой функции F(X), где Е = ¥кр - критическая скорость совершения маневра, X = а/Ь.
Рис. 11. График изменения целевой функции Ккр (а/Ь), полученный по методу свертки, при одинаковых весовых коэффициентах А = А = 0,5
Из рис. 11 видно, что для рассматриваемой модели автобуса оптимальным является соотношение а/Ь = 0,5. Из графиков также видно, что при значении а/Ь < 0,5 смещение положения центра тяжести к передней оси сопровождается лучшими показателями по входу в поворот, но худшими по переставке. Одновременно с этим при а/Ь > 0,5 смещение положения центра к задней оси одинаково сказывается на управляемости и устойчивости как при в ходе в поворот, так и при переставке. Следует также отметить, что у выбранного автобуса-аналога ПАЗ-320402-03 соотношение а/Ь при снаряженной массе составляет 0,52; при пол-
ной 0,64. Исходя из полученных результатов имитационного моделирования можно заключить, что при снаряженной массе показатели автобуса по переставке близки к оптимальным. Однако при полной массе автобус будет иметь худшие показатели движения как в условиях смены полосы движения (переставки), так и при входе в поворот.
На основе полученных результатов можно рекомендовать следующие мероприятия, направленные на улучшение управляемости и устойчивости автобусов среднего класса:
• стремиться к смещению центра масс автобуса от задней оси к положению центра масс, соответствующему a/L = 0,5;
• использовать стабилизаторы поперечной устойчивости с более высокими показателями жесткости;
• использовать упругие элементы подвески, имеющие нелинейные упругие характеристики;
• использовать функциональные возможности систем активной безопасности в частности системы электронного контроля устойчивости (ЭКУ);
• стремиться к снижению высоты положения центра масс автобуса.
Библиографический список
1. Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем - искусство и наука / Р. Шеннон. - М.: Мир, 1978. - 415 с.
2. ГОСТ Р 52302-2004 Автотранспортные средства. Управляемость и устойчивость. Технические требования. Методы испытания. - М.: Изд-во стандартов, 2004.
3. Тумасов, А.В. Исследование свойств активной безопасности транспортных средств методом имитационного моделирования / А.В. Тумасов [ и др.] // Журнал ААИ. 2011. №2. С. 34-37.
Дата поступления в редакцию 30.01.2012
S.Y. Kostin 1, A.V. Tumasov 1, V.A. Koltunov 2
THE RESEARCH OF BUS ACTIVE SAFETY BY MEANS OF SIMULATION METHODS
Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.Y. Alekseev1, Pawlowsky branch of NNSTU 2
Purpose: The estimating of bus behavior in different situations (entering into the turn, lanes changing) on the basis of computer simulation results and its comparison with experimental data.
Design/methodology/approach: The simulation study based on dynamic analysis method with using of SDK-software that allows take into account main vehicle parameters, road conditions and driver behavior.
Findings: It is possible to apply the research results for preliminary estimation of bus active safety characteristics on the basis of simulation results.
Research limitations/implications: The present study provides a starting-point for further research in the field of vehicle safety and estimation of effectiveness of active safety systems components.
Originality/value: The main peculiarity of the study is original approach of computer simulation of vehicle behavior that could have a good practical application during the vehicle design stage.
Key words: bus, handling and stability, braking properties, modeling.
