Оценка устойчивости автомобиля с помощью ЭВМ при выполнении анализа тягово-скоростных свойств Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.017

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ АВТОМОБИЛЯ С ПОМОЩЬЮ ЭВМ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ АНАЛИЗА ТЯГОВО-СКОРОСТНЫХ

СВОЙСТВ

Н.Н. Алёкса, профессор, к. т.н., В.И. Клименко, профессор, к. т.н., М.А. Подригало, профессор, д.т.н., Д.М. Клец, аспирант, ХНАДУ

Аннотация. Предложена методика оценки курсовой устойчивости автомобилей различной компоновки при движении в тяговом режиме с помощью ЭВМ.

Ключевые слова: автомобиль, устойчивость, тягово-скоростные свойства, занос, коэффициент сцепления.

Введение

В нашей стране основные положения теории автомобиля как науки были разработаны академиком Е.А. Чудаковым и сформулированы в книге «Теория автомобиля», впервые вышедшей в 1935 г. В последующем отдельные разделы теории автомобиля получили дальнейшее развитие в трудах многих советских и зарубежных ученых. Так, совершенствование методов расчета тягово-скоростных свойств нашло отражение в трудах Г.В. Зи-мелева, вопросы управляемости и устойчивости разрабатывались А. С. Литвиновым, методы расчета плавности хода - Р.В. Ротен-бергом, методам оценки проходимости автомобилей посвящены работы Я.Е. Фаробина.

За последние 15 лет автомобилестроение резко шагнуло вперед. В высоком темпе происходит насыщение автомобилей электроникой, которая позволяет реализовать недоступные ранее возможности. Указанные изменения приводят к требованию пересмотреть программу подготовки специалистов по теории эксплуатационных свойств, анализу динамических свойств автомобилей. Необходима поэтапная модернизация курса теории эксплуатационных свойств. Одним из направлений модернизации является оценка устойчивости автомобилей в тяговом режиме движения.

Устойчивость рассматривается как свойство автомобиля обеспечивать заданное водите-

лем направление движения, нарушаемое действием боковых сил. Значительная часть дорожно-транспортных происшествий связана с потерей устойчивости движения транспортных средств. В настоящее время в экспертной практике отсутствуют методические положения исследований, связанные с влиянием коэффициента сцепления шин с дорогой, аэродинамических характеристик, геометрических, весовых показателей на устойчивость транспортных средств в тяговом режиме и при движении накатом. В связи с этим, на сегодняшний день актуальным является рассмотрение вопросов устойчивости движения транспортных средств при различных схемах привода ведущих колес с использованием ЭВМ.

Анализ публикаций

Теория устойчивости А.М. Ляпунова составляет математическую основу исследований в области устойчивости движения. Устойчивость рассматривается в двух аспектах - устойчивость против заноса и устойчивость при заносе. В первом случае рассматриваются условия, приводящие к появлению заноса, а во втором - поведение автомобиля при начавшемся боковом скольжении какой-либо из осей. Исследованию общих вопросов устойчивости движения колесных машин посвящено значительное количество работ [1,

2, 7, 8]. Большое количество работ направлено на исследование устойчивости автомобиля при движении по криволинейной траекто-

рии [3, 4], а также при торможении [5, 6]. В монографии Е.А. Чудакова, посвященной вопросам устойчивости автомобиля против заноса [9], рассмотрено влияние на устойчивость движения конструктивных и эксплуатационных факторов (колеи, базы, скорости движения, угловой скорости поворота управляемых колес, ускорения и т. п.).

В настоящее время отсутствуют рекомендации по оценке устойчивости прямолинейного движения автомобиля в тяговом режиме. Вопросы выбора адаптивного критерия устойчивости автомобиля требуют дополнительных исследований. Применение ЭВМ при оценке устойчивости автомобилей против заноса позволит повысить эффективность расчетов и исследований.

Цель и постановка задачи

Целью исследования является разработка методики оценки курсовой устойчивости автомобилей различной компоновки при движении в тяговом режиме с помощью ЭВМ.

Определение зоны устойчивого движения автомобиля

Количественно устойчивость движения можно оценивать по максимальной величине внешнего или внутреннего возмущения, при воздействии которого сохраняется устойчивое движение автомобиля. Авторами предложен [7] коэффициент устойчивости, равный отношению момента стабилизирующего к возмущающему моменту и определяемый из следующего соотношения

1г -ю = х(1—М(

Гг '®= Мвозм — Мстаб =

стаб возм х

возм стаб возм

Гстаб /Мвозм ) = Мвозм ' (1 — Куст ):

(1)

где 1г - момент инерции автомобиля относительно вертикальной оси; Мвозм - возмущающий момент; Мстаб - стабилизирующий момент; ш - угловое ускорение автомобиля относительно вертикальной оси; Куст - коэффициент устойчивости.

При Куст > 1 движение автомобиля устойчиво, при Куст < 1 - неустойчиво, при Куст = 1 автомобиль находится на грани выхода из зоны устойчивого движения. Предложенный коэффициент позволяет перейти к определению зоны устойчивого движения автомобиля.

В работе [7] получены зависимости для определения зоны устойчивого движения полноприводного автомобиля

V <-

0,5

— к• Ь/тл •V2 = V

тах уст ’

(2)

где Ь - база автомобиля; а, Ь - координаты проекции центра масс автомобиля на горизонтальной плоскости; ф - коэффициент сцепления колес с дорогой; g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; V- линейное ускорение автомобиля; И - высота центра масс автомобиля; Кя - коэффициент распределения тягового момента между мостами автомобиля; та - общая масса автомобиля; V - линейная скорость автомобиля; кЬ -фактор обтекаемости в горизонтальной плоскости.

Максимальное ускорение автомобиля [7]

^д = Ксц-ф-g — к • Ь/т^ •V2, (3)

где Ксц - коэффициент использования сцепного веса автомобиля в тяговом режиме движения.

Для заднеприводного автомобиля КК = 0 и выражение (2) примет вид

V < 2 •Ф2 • g •ЧЬ •Ча — кЬ .у2 =тах

1 — (1 — Ь2/а2) • И2/Ь2 та

(4)

Для переднеприводного автомобиля К = 1 и выражение (2) примет вид

V <ф^

2 • g • И/Ь • а/Ь • та/к • Ь

]1(1 — а2/Ь2).(1 — ф2 • И2/Ь2)

— 1

(5)

При а = Ь соотношение (5) примет вид

V <ф^-2 •g •И/Ь •та/ к • Ь ^Г. (6)

Отрицательный знак подкоренного выражения в зависимости (6) свидетельствует об

устойчивом движении переднеприводного автомобиля в тяговом режиме.

Величину ускорения на каждой передаче можно определить из выражения

j = dV/dt = (D-у)-g/5j, (7)

где D - динамический фактор автомобиля; у - коэффициент суммарного сопротивления дороги; 5;- - коэффициент, учитывающий влияние инерции вращающихся частей автомобиля.

Оценка устойчивости автомобиля с помощью ЭВМ

Используя изложенную выше методику оценки устойчивости с помощью коэффициента устойчивости, авторами разработана программа «Stability estimation» в системе визуального объектно-ориентированного программирования Delphi 7. При запуске программы открывается диалоговое окно, внешний вид которого представлен на рис. 1.

В соответствующие поля вводятся следующие данные:

- название исследуемого автомобиля;

- коэффициент сцепления колес с дорогой, ф = 0,2 - 0,8;

- тип коробки передач;

- передаточные числа Щ I, Щ п, Щ ш, Щ IV, ик V и главной передачи ик 0 ;

- тип автомобиля (задне- или полноприводный);

- масса автомобиля, т, кг;

- масса, приходящаяся на заднюю ось, тзад, кг;

- максимальная скорость, V, км/ч;

- частота вращения вала двигателя при максимальной мощности пм, об/мин;

- максимальная мощность, Ые тах, кВт;

- ширина В и высота автомобиля, Н, м;

- колесная база, Ь, м;

- статический радиус колеса, гст, м.

После завершения ввода данных и нажатия пользователем кнопки «Расчет» в диалого -вом окне программа выполняет построение графиков ускорений автомобиля (7), максимально возможного ускорения (3), а также зоны устойчивого движения автомобиля в зависимости от его компоновки (см. зависимости (2), (4), (5)). В поле «Результаты оценки устойчивости» отображаются скорости выхода из устойчивой зоны для каждой передачи (см. рис. 1).

Рис. 1. Диалоговое окно программы

Для обработки полученных данных в программе заложены следующие возможности:

- изменение процента использования мощности двигателя для построения частичных характеристик;

- выбор 2Б или 3Б отображения расчетных графиков;

- штриховка зоны устойчивого движения для наглядности;

- отображение координат курсора при перемещении его на графике;

- сохранение результатов в виде отчета на жесткий диск для распечатки или дальнейшей обработки.

После проведения расчета возможна корректировка передаточных чисел коробки передач, а также ограничение максимальной мощности двигателя для входа автомобиля в устойчивую зону.

Выводы

В качестве критерия устойчивости автомобилей против заноса следует использовать коэффициент устойчивости (Куст), представляющий собой отношение предельного по сцеплению стабилизирующего момента к предельному по сцеплению возмущающему моменту.

С использованием предложенного критерия определены максимально допустимые по условию сохранения устойчивости линейные скорость движения и ускорение автомобиля. Сравнение указанных величин с величинами скоростей и ускорений, получаемых при тяговом расчете, позволяет осуществить оценку устойчивости автомобилей против заноса с помощью ЭВМ.

Полученные зависимости могут быть использованы при экспертных исследованиях дорожно-транспортных происшествий, связанных с потерей устойчивости движения

транспортными средствами и установлением истинных причин ДТП.

Литература

1. Литвинов А. С. Управляемость и устойчи-

вость автомобиля. - М.: Машиностроение, 1971. - 416 с.

2. Певзнер Я.М. Теория устойчивости авто-

мобиля. - М.: Машгиз, 1947. — 156 с.

3. Закин Я.Х. Маневренность автомобиля и

автопоезда. - М.: Транспорт, 1986. -136 с.

4. Антонов Д. А. Теория устойчивости дви-

жения многоосных автомобилей. - М.: Машиностроение, 1978. - 216 с.

5. Маневренность и тормозные свойства ко-

лесных машин / Подригало М.А., Волков В.П., Кирчатый В. И., Бобошко А.А. / Под ред. М.А. Подригало. - Харьков: Изд-во ХНАДУ, 2003. - 403 с.

6. Байцур М.В. Оценка устойчивости авто-

мобиля против заноса в процессе торможения // Автомобше- та тракторобу-дування. Вюник НТУ «ХП1». - 2006. -№6. - С. 119 - 124.

7. Подригало М.А., Клец Д.М. Определение

устойчивости автомобиля против заноса при движении в тяговом режиме // Вюник НТУ «ХП1». Автомобше- та тракторобудування, 2007. - Вип. 12. -С. 127 - 136.

8. Стабильность эксплуатационных свойств

колесных машин / Подригало М.А., Волков В.П., Карпенко В.А., Гецович Е.М., Бобошко А.А., Ефимчук В.М., Маты-рин А.Н. / Под ред. М.А. Подригало. -Харьков: Изд-во ХНАДУ, 2003. - 614 с.

9. Чудаков Е.А. Устойчивость автомобиля

против заноса. - М.: Машгиз, 1949. -145 с.

Рецензент: О.П. Алексеев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 23 марта 2009 г.