CC BY
44
УДК 629.113
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТОРМОЖЕНИЯ РЕКОРДРО-ГОНОЧНОГО АВТОМОБИЛЯ С КОМБИНИРОВАННОЙ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМОЙ
С.Н. Щукпинов, проф., д.т.н., МЮ. Залогин, ассист., MP. Лысенко, сгуд., Н.В. Самойлов, студент, Харьковский национальный автомобильно-дорожный
университет
Аннотация. Описана имитационная модель процесса торможения рекордно-гоночного автомобиля с комбинированной тормозной системой Управление тормозным парашютом и фрикционными тормозными механизмами с электрогидравлическим приводам выполняется адаптивной системой управления. Эффективность действия фрикционных тормозных механизмов изменяется в зависимости от эффективности тормозного парашюта.
Ключевые слова: автомобиль, система, адаптивное тормозное управление, эффективность, электрогидравлжеский тормозной привод, тормозной парашют.
МОДЕЛЮВАННЯ ПРСЦЕСУ ГАЛЬМУВАННЯ РЕКОРДВО-ГОНОЧНОГО АВТОМОБИЛЯ 3 КОМЫНОБАНОЮ ГАЛЬМШНОЮ СИСТЕМОЮ
СМ Щуктнов, проф., д.т.н., МЮ Залогин, асист., MP. Лысенко, сгуд., MB. Самойлов, студент, Харювський нащональний автомоб1льно-дорожнш
ушверсигег
Анотащя Описано iMimayirny модель процесу галъмування рекордно-гоночного автамобтя з комбтованою гтьмвною системою. Керування гтьмвним парашутом та фрикцгиними галь-лавними механ1змами з електрог1дравл1чним приводом виконуеться адаптивною системою керування. Ефектившсть dii фрищйних галъмвних мехтгзм1в змнюеться залежно eid ефек-тивноап галъмвного парашута
Кпючов слова: автомобыь, система, адалтивне галъмвне керування, ефективн1сть, електро-zidpaeniHHUU галъмвний npueid, галъмвний парашут
BRAKING PROCESS MODELING RECORD-RACING CAR WITH A COMBINED BRAKE
SYSTEM
S. Shuklinov, Prof., D. Sc. (Eng.), M Zalogin, T. Asst.,
M Lysenko, St., N. Samoylov, St., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. A simulation model of the brake process of the record-race car with a combined brake system is described in the given article. Control of the brake parachute as well as friction brake mechanisms with electrohydraulic drive is performed by an adaptive control system. The effectiveness of the friction brake mechanisms operation varies, depending on the efficiency of the brake parachute.
Key words: car, system, adaptive brake control, efficiency, electro-hydraulic brake drive, brake parachute.
ЕЬедение
^Ьксимальная скорость автомобиля, достигнутая на трассе, зависит не тспько от баланса
мошрости, подродамой к ведущем колесам, мошрости сил сопротивления дрижению и сил сцепления ведущих колес с опорной поверхностью, но и от тормозных свойств. Пи-
лог рекордро-гоночного автомобиля не всегда имеет возможность на заданной трассе достигнуть технически возможную максимальную скорость автомобиля, поскольку требуется ешр значительное расстояние на остановку автомобиля. Данная работа по-свяшрна моделированию процесса торможения рекордро-гоночного автомобиля с комбинированной тормозной системой и теоретической оценке тормозных свойств.
Анализ публикаций
В работе [1] автор раскрывает особенности конструкции тормозных устройств гоночных автомобилей. В рекордцо-гоночных автомобилях с реактивной тягой для повышения эффективности торможения применяется реверс тягового дригателя и тормозной парашют. На автомобилях с приводом на ведущее колеса также применяется пневматический тормоз - различного рода шцтки или тормозной парашют.
Следует заметить, что тормозную систему рекордро-гоночного автомобиля целесообразно выполнять в вцде комбинированной тормозной системы, включающей как фрик-цронные тормоза, так и пневматические (тормозной парашют). Общеизвестно, что эффективность торможения с максимальным использованием щепных свойств колес с опорной поверхностью при увеличении скорости снижается. Поэтому привод фрикпронных тормозов следует выполнить элжгрощдрав-лическим с адаптивной системой управления их эффективностью
Предложенный авторами [2] закси формирования управляющего воздействия для адаптивного тормозного управления колесной машины построен на сравнении оценки возмущенного состояния колесной малины с состоянием эталонной модели. В качестве параметра для оценки состояния системы адаптивного тормозного управления предложено использовать замедление автомобиля [3]. В работах [4, 5] описано моделирование процесса торможения автомобитЕЙ с адаптивным частично автоматизированным гидравлическим тормозным приводам и адаптивным элекгропневматическим приводам тормозов.
Из анализа публикаций следует, что исследования адаптивного управления торможением актуальны, так как направлены на фор-
мирование заданных характеристик тормозного управления. При этом следует отметить, что выполненные исследования не отражают особенности моделирования процесса торможения автомобиля с комбинированной тормозной системой, состоящей из электрсщд-равлическсго тормозного привода тормозных механизмов колес и тормозного гирашюга
Цель и постановка задачи
Целью работы является теоретическая оценка тормозной эффективности рекордро-гоночного автомобиля с комбинированной тормозной системой на имигацронной модели процесса торможения.
Имигацронная модель должна отражать решение уравнения дрижения автомобиля при торможении, рабочие процессы комбинированной тормозной системы и алгоритм управления торможением. Комбинированная тормозная система должна состоять из элек-трощаравлического тормозного привода тормозных механизмов колес и тормозного парашюта. Управление процессом торможения должно выполняться автоматизированной системой с адаптивным регулятором.
Моделирование процесса торможения
На кафедре автомобилей ХНАДУ разработана модель процесса торможения автомобиля. Уравнение дрижения автомобиля при торможении записывается в вцде
т^-^| + Рп+Рт1+Рт2+Рг+Р„=0, (1)
где т - масса автомобиля; Уа - скорость дрижения автомобиля; I — независимая переменная; г е дт ] (ц - время начала процесса, (., - время торможения автомобиля); Рп,Рт1,Рт2,рг,рж - тормозные силы парашюта, передрей и задрей осей, силы сопротивления качению колес и сопротивления воздуха.
Тормозная сила парашюта и сила сопротивления воздуха соответственно определяются по формулам
рп=кВп-«2; (2)
где квп, Fп - коэффициент обтекаемости и лобовая плошадь парашюта [6]; кв, Fa - коэффициент обтекаемости и лобовая плошадр автомобиля.
Тормозные силы передней и задцей осей определяются конструкцией тормозных механизмов и величиной управляющего воздействия
Рт1,т2 = [_Р t ~Ро]Къ
(4)
где р < - управляюпее воздействие тормозного привода, подреденное к тормозным колесам автомобиля; р0 - нечувствительность тормозных механизмов; К^Ктк2 - коэффициент эффективности тормозных колес передней и задцей осей автомобиля.
Сила сопротивления качению кспес
(5)
где % - ускорение свободцого падения; f -коэффициент сопротивления качению.
Решение уравнения (1) предлавлено в виде отрицательного ускорения автомобиля
dt
-Р-Р -Р -Р-Р
А п т1 т2 А f w
ma
, (6)
с начальным условием в виде
ча0)=у0,
где У„ - скорость автомобиля в начальный момент формирования тормозной силы на колесах в момент времени ;0.
Структурно имитационная модель процесса торможения автомобиля с комбинированной автоматизированной системой управления в случае автоматизированного элекгрощдрав-лического тормозного привода, реализованная в приложении БтиНпк программного продукта МАТЪАВ, представляет собой функциональные блоки с соответствующими связями (рис. 1). В блоке 8и^;ет2 вычисляются тормозные силы парашюта и тормозные силы на колесах передней и задцей осей. Силы сопротивления качению и воздуха
определяются соответственно в блоках Pf и Pw. На выходе интегратора Skorost формируется величина снижения скорости авкмоби-ля при торможении. С учетом начальной скорости торможения V0 в сумматоре определяется текущее значение скорости дриже-ния автомобиля при торможении. Результат интегрирования в блоке Puti - тормозной путь автомобиля. Блок Subsystem импортирует результаты моделирования в таблицщ Excel. Моделирование процесса торможения происходит до скорости дрижения автомобиля 0,005 м/с; после этого блок STOP автоматически прекращает процесс имитации.
Тормозные силы на осях автомобиля Рт1 и Рц определяются в зависимости от усилия на педали Рп и достигнутого замедления (отрицательного ускорения) автомобиля (рис. 2). Бели торможение начинается со скорости, превышающей 200 км/ч, то при нажатии на педаль тормозного управления приводится в действие пневматический тормоз - парашют. При этом давление в тормозных контурах электрощяравлического привода формирует адаптивный регулятор (блок Brake-Assist на рис. 2). Вследствие снижения скорости дрижения уменьшается эффективность торможения парашютом.
При ускорении автомобиля 10 м/с2 блок Brake-Assist автоматически увеличивает заданное давление управления рА для поддержания эффективности торможения на этом уровне. Вычисление заданного давления рА в блоке Brake-Assist выполняется по зависимости
, ьм 1
рА = —-а + е--,
b k-Ъ
(7)
где Ь, Ьм - коэффициенты эффективности тормозного управления автомобиля и эталонной модели [2, 3]; д - задающее воздействие (для элекгрощдропривода - давление жидкости пропорциональное усилию на педали тормоза); е -ошибкауправления; X -постоянный коэффициент [7].
Коэффициенты Ь, Ьм рассчитываются в блоке Erake-Assist (рис. 3). Ицдгксом «м» отмечены коэффициенты и параметры эталонной модели.
Рис. 1. Структурная схема имигацронной модели процесса торможения автсмобиля
Рис. 2. Структурная схема имигацронной модели адаптивного тормозного привода автомобиля
При имигаццонном моделировании дцнами-ки торможения автомобиля в качестве эталонной модели определены параметры автомобиля при торможении без парашюта. Перед началом решения системы уравнения (7) выполняется проверка условия
Рт.ц ^ ЛРт
(8)
где pTfl - давление в тормозных камерах; Дртц - нечувствительность тормозных механизмов.
Если условие (8) не выполняется, то в уравнении (7) принимается, что b = bM (рис. 3 -блок switch).
Тормозные силы на осях автомобиля вычисляются в соответствии с зависимостью (4) в
блоках Subsystem и Subsystem! (рис. 2). Бели тормозные силы достигают максимального значения по сцеплению колес с опорной поверхностью, то им присваиваются значения Rx1,Rx2, соответствуюшце значениям при цигальном распределении тормозных сил. При скорости дрижения меньше 0,001 м/с результаты вычисления тормозных сил обнуляются.
Давление жцдкости в элекгрощдравлических конгурах определяется на основе баланса расхода жцд^осги через впускной и выпускной электроклапаны в блоке Davlenie1 (рис. 4). Модель электронного блока управления клапанами на основе сравнения значений заданного блоком Brake-Assist и измеренного в конгуре формирует управляющее сигналы на элекгроклапаны
Рис. 3. Структурная схема блока Brake-Assist
Рис. 4. Структурная схема имигацронной модели контура элекгрогцдравлического тормозного привода автомобиля
В модели контура элекгрогцдравлического тормозного привода приняты допущения:
- давление жцд^осги в щдроаккумуляторе не изменяется;
- затвор клапана перемешается мгновенно, но с задержкой по времени, формируемой блоками Transport Delay1 и Transport Delay2.
Аналю результатов моделирования и теоретическая оценка тормозной эффективности
На кафедре автомобилей ХНАДУ было выполнено имигаццонное моделирование ди-
намики торможения рекордцо-гоночного автомобиля с адаптивным управлением комбинированной тормозной системой. №ссо-габаритные параметры автомобиля соответствуют параметрам рекордцо-гоночного автомобиля ХАДИ-7. Формирование управляющего воздействия в блоке адаптивного регулятора происходцг на основе сравнения реализуемого замедления и желаемого. Блок электрогцаравлического привода тормозов управляет работой клапанов и отрабатывает наполнение и опоражнивание тормозных цц-лицдров. Мэделировались экстренное торможение с одинаковым значением усилия на
педали и темпом его приложения для различных начальных скоростей дрижения
Анализ результатов моделирования и теоретическая оценка тормозной эффективности рекордцо-гоночного автомобиля с комбинированной тормозной системой выполнялись по тормозным диаграммам. Торможение со скорости менее 200 км/ч выполняется фрикционными тормозными механизмами с элек-
трощдравлическим приводом. Если скорость автомобиля перед торможением больше 200 км/ч, то при нажатии на педаль тормоза подается комацда на раскрытие тормозного парашюта. Давление в гидравлических тормозных контурах при этом зависит ог замедления автомобиля. Одра из тормозных диаграмм, соответствующая торможению со скорости 388 км/ч, представлена на рис. 5.
440
м, км/ч, Н
360 320 280 240 200 160 120 80 40 0
хл
8Т В
А
Уа Б
1
* •уу ИУ1
л,
\ / /
\ / /
\ / /
/ \ /
/ чУ
-5
-10
-15
м/с2 -25
Рис. 5. Тормозная диаграмма рекордцо-гоночного автомобиля: Ра - усилие на педали тормоза; 5>г - тормозной путь автомобиля; Уа - скорость автомобиля; 1 - время торможения; -ускорение автомобиля; А - начало коррекции эффективности торможения; Б - отсоединение парашюта; В - остановка автомобиля
0
а
0
2
4
6
8
I
После нажатия на педаль тормоза раскрывается тормозной парашют. Время его полного раскрытия при моделировании принято 1,5 с, в соответствии с данными работы [6]. Снижение скорости движения уменьшает эффективность тормозного парапюга и при формировании замедления автомобиля меньше 10 м/с2 адаптивный регулятор автоматически увеличивает давление в гидравлических тормозных контурах, что вызывает соответствующее увеличение тормозных сил на осях автомобиля (рис. 6). После этсго замедление автомобиля создается тормозным паралюгсм и колесными фрикционными тормозными механизмами. При снижении скорости дрижения автомобиля эффективность тормозного парашюта резко падает. В этом случае появляется вероятность его сктщдрюания и возможность наматывания строп на оси колес автомобиля. С целью повышения безопасности дрижения автомобиля при торможении целесообразно
тормозной парашют отсоединить, а последующее замедление автомобиля обеспечить колесными фрикционными тормозными механизмами. Отсоединение парапюга при моделировании торможения автомобиля выполняется в случае снижения скорости дрижения до 30 м/с (108 км/ч). В результате отсоединения тормозного парашюта резко снижается замедление автомобиля и адаптивный регулятор автоматически увеличивает давление в гидравлических тормозных контурах колесных механизмов. Тормозные силы на осях автомобиля возрастают до максимально возможных по сцеплению значений за 0,07 с. При заданных начальных условиях тормозной путь автомобиля составляет 405 м, а время торможения - 8,6 с. №ксимальное замедление автомобиля обеспечивает тормозной парашют. При плошади тормозного парапюга 2 м2 и начальной скорости торможения 388 км/ч это значение равно 24,15 м/с2.
22 кН 18 16 14 12
|о 8
t 6
с^ 4
<N Н
^ 2 а,н о
1 / л \ ^па А g В
/ \
( \ \ [
\ Ja "1 "V W w kvi kv1 \
s /
\ j > /
J \ Ри / \ V
\ / V s s ч
\ \ / Л \ /—
L \ / 1 1
S» к! J * ** ■р- Р,2
-5
-10
-15
I- -20
м/с2 -25
Рис. 6. Параметры торможения рекордро-гоночного автомобиля: Рт1, Рц, Рщ? - тормозная сила на передаей, задрей осях и парашюта; остальное (рис. 5)
Для повышения тормозной дрнамики пло-шадр парашюта можно увеличить, но при этом максимальное замедление не должно вызывать значительные перегрузки у пилота.
Е^вода
Разработанная имитационная модель отражает решение уравнения дрижения автомобиля при торможении, рабочие процессы комбинированной тормозной системы и алгоритм управления торможением. Результаты моделирования процесса торможения позволяют:
- оценить эффективность торможения автомобиля с элекгрощдравлическим тормозным приводом тормозных механизмов колес и тормозного парашюта;
- оценить эффективность настройки адаптивного регулятора;
- оценить влияние на эффективность торшже-ния параметров комбинированной тормозной системы;
- определить рацрональные параметры тормозного парашюта.
Литература
1. Бекман В.В. Гоночные автомобили. -3-е щд,, перепр. и доп. - Л: №шино-строение, Ленинградское отделение, 1980. - 320 с.
2. Туренко АН Адаптивное тормозное управление колесных машин / АН Туренко, С.Н Щ'клинов // Журнал автомобильных инженеров. - 2010. - №5 (64). - С. 18-21.
3. Туренко АН Замедление колесной машины как параметр оценки состояния системы адаптивного тормозного управления / А Н Туренко, С.Н Шуклинов,
B.И Вербицкий // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. - 2012. -Вып. 31. - С. 7-12.
4. Шуклинов С.Н Моделирование процесса торможения автомобиля с адаптивным частично автоматизированным гидравлическим тормозным приводом /
C.Н Шуклинов // Втсник Донещ>ко1 ака-деми автомобильного транспорту. -2013. - № 4. - С. 89-98.
5. Туренко АН Моделирование дрнамики колесной машины с адаптивным электропневматическим приводом тормозов/ АН Туренко, С.Н Шуклинов, Н.Г. Ми-халевич // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2012. - Вып. 56. - С. 66-74.
6. Стариков ЮН Основы аэродинамики летательного аппарата : учеб. пособие / ЮН Стариков, E.H. Коврижных. -Ульяновск: УВАУ ГА, 2004. - 152 с.
7. Шуклинов С.Н. Анализ влияния конструктивных параметров автомобиля и параметров дрижения на область устойчивости адаптивной системы управления торможением / С.Н Шуклинов // Втсник НГУ «ХТП». Серая: Автомобте-та тракторобудування. - 2014. - №10 (1053). - С. 40-47.
Рецензент: МА Подригало, профессор,
дт.н, ХНДДУ.
Статья поступила в редакцию 13 июня
2016 г.
0
a
0
2
4
6
8
t
