CC BY
29
ватывает точку с координатами (-1; ДО); система устойчива и в замкнутом состоянии. x
Л . Wa6 y
Wa5
Рис. 8. Эквивалентная структурная схема модели СППР при управлении поездной работой локомотивов грузового движения
Синтез системы автоматического регулирования. Задача синтеза САР решается путем отыскания рациональной структуры системы и определения оптимальных значений параметров отдельных звеньев. Решая задачу синтеза, считаем, что определенная неизменная часть системы задана и требуется выбрать дополнительную часть системы, обеспечивающую выполнение необходимых требований к устойчивости и
качеству процессов регулирования. К неизменной части относятся основные функциональные элементы (управляющий, исполнительный, чувствительный), а также сам объект регулирования. Дополнительная часть системы состоит из типового корректирующего звена (параллельно-встречной схемы коррекции):
Wckp(p) =--.
1 + W О(р)^ос(р)
Такая корректирующая передаточная функция не влияет существенно на устойчивость системы.
Предложенная многоконтурная модель СППР при управлении поездной работой локомотивов грузового движения является устойчивой и качественной системой автоматического регулирования, призвана снизить потери времени переходных процессов, которые существенным образом влияют на качество перевозок при возникновении нештатной ситуации.
Библиографический список
1. Макаров В.В., Белков М.В. Анализ надежности перевозочного процесса // Вестник ИрГТУ. 2008. №4. С. 84.
2. Белков М.В., Макаров В.В. Анализ работы грузовых электровозов на дорогах восточного региона // Труды 3-й международной научно-техн. конф., 5-8 июня 2007. Омск: Иртышский филиал ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», 2007. 265 с.
3. Автоматизированная система управления локомотивным хозяйством. АСУТ / под ред. И.К.Лакина. М.: ОЦВ, 2002. 516 с.
4. Белков М.В. Влияние условий эксплуатации электровозов на их эксплуатационные показатели // Труды всероссийской научно-практ. конф. ученых транспорта, вузов, НИИ, инже-
нерных работников и представителей академической науки. Т. 1. 22-24 ноября 2006 г., Чита. Чита: ЗабИЖТ, 2006. Ч. 1. С. 218-221.
5. Белков М.В. Влияние условий эксплуатации электровозов на экономические показатели // Труды всероссийской научно-практ. конф. ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки. Т. 2. 2224 ноября 2006 г., Чита. Чита: ЗабИЖТ, 2006. Ч. 2. С.20-23.
6. Автоматизация электроподвижного состава: учебник для вузов ж.-д. трансп./ А.Н. Савоськин [и др.]; под. ред. А.Н. Са-воськина. М.: Транспорт, 1990. 311 с.
УДК 629.3.017
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АКТИВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СХОЖДЕНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС АВТОМОБИЛЯ В ПРОЦЕССЕ ДВИЖЕНИЯ
В. И. Рассоха1
Оренбургский государственный университет, 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13.
Проанализирована роль схождения управляемых колес в повышении срока службы автомобильных шин; выявлены достоинства и недостатки пассивных и активных методов регулирования схождения. Приведены направления и результаты совершенствования систем активного регулирования схождения, разработанных с участием автора. Ил. 3. Библиогр. 25 назв.
Ключевые слова: автомобиль; схождение управляемых колес; контроль; регулирование; движение.
DESIGN OF THE ACTIVE CONTROL SYSTEM OF AUTOMOBILE STEERING WHEELS TOE- IN WHEN IN MOTION V.I.Rassoha
Orenburg State University, 13 Pobeda Av., Orenburg, 460018.
The author analysed the role of steering wheels toe-in when improving the service life of automobile tires. He identified advantages and disadvantages of passive and active methods of toe-in regulation. He presents directions and results to improve toe-in active regulation systems developed with the participation of the author. 3 figures. 25 sources.
Key words: automobile; steering wheels toe-in; control; regulation; motion.
1Рассоха Владимир Иванович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобилей и безопасности движения, тел.: (3532)754182, e-mail: [email protected].
Rassoha Vladimir Ivanovich, a candidate of technical sciences, an associate professor, the head of the Chair of Automobiles and Traffic Safety, tel.: (3532) 754182, e-mail: [email protected].
По причине износа протектора выходят из строя 8090% автомобильных шин [1]. Кроме влияния на долговечность шин, важны и экологические последствия такого износа. Общеизвестными являются отрицательные воздействия на здоровье человека шинной пыли и шума, образующегося при трении протектора о поверхность дороги. Интенсивность загрязнения окружающей среды только шинной пылью составляет несколько сотен тонн в час. На некоторых автомагистралях Европы ежегодно масса резиновой пыли достигает 250 кг на километр дороги, а почва в придорожных полосах содержит около 2% резиновых частиц [1]. Менее известен выявленный в результате последних исследований факт, что при изнашивании шин в окружающую среду попадает большое количество канцерогенных полиароматических углеводородов, прежде всего -бенз[а]пирена, а также Ы-нитрозоаминов и других вредных для организма человека веществ, добавляемых производителями шин для улучшения эластичных и упруго-прочностных свойств резины.
С точки зрения оптимизации нагружения шины необходимо стремиться к тому, чтобы при качении колеса нормальные и касательные напряжения в контакте шины с опорной поверхностью распределялись по площади контакта равномерно и имели как можно меньшие значения. Проскальзывания выступов протектора в контакте шины и возникающая при этом работа трения также должны быть минимальны. Для этого управляемые колеса должны катиться в плоскостях, параллельных продольной оси автомобиля и перпендикулярных опорной поверхности. Соблюдение указанных требований, при прочих равных условиях, способствует минимальному износу протектора и максимальному сцеплению шины с дорогой.
Однако в эксплуатации, вследствие деформаций деталей и износа сопряжений моста и рулевого привода, происходит отклонение управляемых колес от указанного положения, что приводит к увеличению сопротивления движению. Для компенсации этих деформаций и износов управляемые колеса автомобиля устанавливают с развалом.
При наличии развала управляемые колеса стремятся катиться в стороны от прямолинейного движения автомобиля по дугам вокруг точек пересечения их осей с опорной поверхностью. Так как они связаны балкой моста, то такое качение сопровождалось бы боковым скольжением шин о дорогу, что увеличивало бы сопротивление движению. Для прямолинейного качения с развалом без бокового скольжения управляемые колеса должны быть установлены со схождением.
Угол схождения управляемых колес определяется как угол между плоскостями левого и правого колес и принимается положительным в случае, если эти плоскости пересекаются перед автомобилем. Каждому углу развала соответствует определенный угол схождения, при котором сопротивление движению будет наименьшим.
Упругая деформация элементов моста с увеличением загрузки автомобиля уменьшает существующий угол развала управляемых колес и восстанавливает его с уменьшением загрузки. Одновременно должно изме-
няться и схождение. Кроме того, схождение зависит и от сил сопротивления движению, определяемых дорожными условиями, скоростью и режимами движения.
Зависимость от скорости движения и дорожных условий поясняют следующие факты. Экспериментально установлено [2], что на автомобиле ГАЗ-24 каждые 50 Н дополнительного сопротивления качению уменьшают схождение на 0,16 мм. При равномерном движении на шоссе с асфальто-бетонным покрытием со скоростями 5, 70 и 120 км/час уменьшение схождения управляемых колес составляет соответственно 0,2, 0,4 и 0,8 мм. При разгоне автомобиля уменьшение схождения управляемых колес составляет 0,5 мм, при служебных торможениях - 0,5-3,0 мм. Испытания при указанных скоростях на гравийных и грунтовых дорогах, где коэффициент сопротивления качению значительно выше, дают значительно большие значения уменьшения схождения.
Зависимость схождения от режимов движения в прямолинейном направлении - движения накатом, с тяговым усилием или с торможением - объясняется деформациями элементов подвески и рулевого привода из-за действия продольных тяговых и тормозных сил. Максимальная тормозная сила, определяемая максимальным коэффициентом сцепления и коэффициентом перераспределения вертикальных сил при торможении, примерно в 100 раз превышает силу сопротивления качения автомобильного колеса. Как следствие имеет место деформация упругих связей в подвеске и рулевом приводе с соответствующими перемещениями колес, в том числе и угловыми перемещениями по курсу. Угловое перемещение колеса при этом может достигать примерно 1 градуса.
Нельзя не отметить и влияние таких факторов, как неправильная настройка оборудования, использующегося при контроле и регулировании схождения при техническом обслуживании, некорректные действия при этом человека, длительная эксплуатация автомобиля без контроля и регулирования схождения.
Проведенные исследования интенсивности изменения схождения управляемых колес грузовых автомобилей ГАЗ показали, что при начальном схождении управляемых колес от 4 до 6 мм интенсивность изменения схождения составила около 0,3 мм на 1000 км пробега, при начальном схождении 1,0 мм - около 0,7 мм на 1000 км пробега, а при отрицательном начальном значении угла схождения управляемых колес интенсивность изменения схождения достигает 1,3 мм на 1000 км пробега.
Начиная с 80-х годов прошлого века, конструкторы занимаются разработкой кинематики подвески для создания благоприятных углов поворота колес автомобиля на отдельных режимах движения. Так, для улучшения управляемости на поворотах и снижения износа шин увеличивают углы поворота наружного колеса по сравнению со значениями, рассчитанными по формуле котангенсов. Считается, что это улучшает распределение боковых сил по наружному и внутреннему колесам. На автомобиле SAAB 99 для улучшения устойчивости при прохождении поворотов с высокими скоростями наружное колесо поворачивается даже на больший угол, чем внутреннее. Другие конструкции направлены на ком-
Обобщение результатов предшествующих исследований по применяемым системам коррекции схождения управляемых колес
Пассивное регулирование в стационарных условиях
Формулировка цели и требований к системе активного регулирования схождения управляемых колес в движении
Обоснование критерия оптимизации схождения управляемых колес в движении
Разработка принципиальной схемы системы
Активное регулирование в процессе движения
Анализ возможности использования стандартных элементов ц Разработка нестандартных элементов
Лабораторные испытания нестандартных элементов
Испытания системы
Технико-экономическая оценка системы
Рис. 1. Этапы проектирования системы непрерывного регулирования схождения управляемых колес
автомобиля в движении
пенсацию уменьшения угла схождения, возникающего при торможении автомобиля и свойственного большинству конструкций из-за упругих деформаций и перемещений, вызванных зазорами в шарнирных соединениях. В европейской подвеске «вайсзах» реализована специальная конструкция направляющего устройства подвески, способного автоматически доворачивать колеса в положительном направлении при увеличении тормозной силы [3] за счет введения в рычажный механизм дополнительного подвижного звена и шарнира. При этом обеспечивается оптимальный угол схождения при торможении на прямолинейных участках._
Таким образом, на многих современных автомобилях уже осуществлено регулирование пассивными методами текущего угла схождения управляемых колес за счет конструктивной коррекции направляющего аппарата подвески, вариаций элементов рулевого привода и т.д. Пассивными методы называются потому, что для выполнения регулирования не используется энергия стороннего источника.
Однако за счет пассивных методов невозможно решить проблему полностью. Они не компенсируют отклонений угла схождения вследствие эксплуатационных износов и перегрузок, приводящих к остаточным
деформациям элементов конструкции подвески и рулевого управления [3]. Единственным возможным способом решения проблемы является активное регулирование схождения колес автомобиля в движении.
Теоретические вопросы влияния изменения установочных углов управляемых колес на эксплуатационные свойства автомобиля рассматривались многими исследователями. Среди них А.М. Жуков, В.Н. Задорнов, Н.М. Кислицын, В.Е. Кленников, В.И. Кнороз, А.В. Копаев, Р.П. Кушвид, В.В. Редчиц и С.В. Редчиц, В.И. Рязанцев.
Кроме теоретических исследований, начиная с 60-х годов прошлого века предпринимаются попытки практического создания систем с активным регулированием схождения в процессе движения автомобиля. Хронологически первым было предложение использовать систему активного регулирования с датчиками положения колес. Однако в дальнейшем в качестве преимущественного критерия была признана боковая сила, обеспечивающая возможность более качественного регулирования схождения и позволяющая избежать ошибок,
возможных в системе, работающей по положению колеса.
В течение прошедших десятилетий был разработан ряд устройств, осуществляющих контроль и (или) регулирование схождения управляемых колес автомобиля в движении: А.Н.Зыковым и В.Н.Зыковым (а. с. 453604); Н.М.Кислициным и Ю.В. Максимовым (а. с. 477331); М.В.Морозовым, А.А.Жирновым и Ф.М.Судаком (а. с. 652463, 746242, 927614); В.И.Рязанцевым и
A.М.Жуковым (а. с. 905692, 1107028); А.В.Мамонтовым, Ю.Г.Хижняком, Ф.Г.Мургулия и В.Я.Пастернаком (а. с. 1207876); С.В.Редчиц, В.И.Плотниковым, С.А.Прохиным и С.М.Дроновым (патенты РФ 2186703, 2211780);
B.И.Плотниковым, М.Н.Баевым, Ю.Н.Сажиным и Ю.М.Нагорновым (патент РФ 2259296). Однако, как показывает анализ, все они имеют недостаточную надежность и точность и могут отрицательно влиять на поперечную устойчивость и управляемость автомобиля.
Ведущая роль в продвижении идеи непрерывного активного регулирования схождения колес автомобиля
Рис. 2. Совершенствование варианта системы на основе гидравлических датчиков
Гидронасос
Вариант с пьсю датчиками [16]
Дзгчбел
боковой, реакции дороги
Источник электро-пптоипя
31Е
Трубопроводы
Система управления
Датчнко-
узел
1
Пьею-датчнки
Трнзпчрт-рьческие датчики
а н
1.x
>
Управляющее устройство
Распределительное устройство пшика рабочей ЖИДКОСТИ
Реверсивный механизм изменения рабочей дшны поперечной рулевой тяги
Усилитель электрического сигнала
Втулка с бортиками
[17]
Кольца [1К]
Конусные шайбы
[19]
Буртики втулок со срезами к в ысл-иама [20]
Т
Буртнкн втулок, разделенные 11а сектора [211
Буртики втулок с выступами [22]
Фланцы втулок с
ВЫСП.Т11МН
[23]
Г-образные рычажки на буртики втулок [24]
Упругий
элемент
[25]
Две электромагнитные каглпки [26]
Рис. 3. Совершенствование варианта системы на основе электрических датчиков
в движении принадлежит В.И. Рязанцеву. По сути, на основе этой идеи им разработаны основные положения нового научного подхода к решению проблемы активной безопасности автомобиля, более конкретно - его устойчивости и управляемости. Основные результаты исследований опубликованы автором более, чем в двадцати статьях и обобщены в [3].
При несомненной значимости научных и практических результатов, полученных В.И. Рязанцевым, следует отметить, что предложенная система активного регулирования схождения колес автомобиля в движении рассматривалась им в связи со снижением износа автомобильных шин только на начальном этапе исследований [2]. Уже в [4] наметилось смещение акцентов, и в дальнейшем вектор исследований был направлен на повышение активной безопасности автомобиля, более конкретно - устойчивости и управляемости [5]. Это не могло не наложить отпечатка на результаты, прежде всего, касающиеся конструкции и алгоритмов работы предложенной системы.
В рамках задачи устранения указанных выше недостатков существующих систем и устройств при участии автора была разработана система для непрерывного автоматического регулирования схождения управляемых колес автомобиля в процессе движения [6-25].
Схематично основные этапы проектирования системы представлены на рис. 1.
В результате предложены два принципиально отличающихся варианта реализации системы - на основе
гидравлических и электрических (пьезо- и тензометри-ческих) датчиков. Подробнее конструкции вариантов системы описаны в [6-8]. При проектировании особое внимание уделялось повышению чувствительности, точности и надежности системы, прежде всего, за счет варьирования нестандартными элементами. Все конструктивные предложения либо защищены патентами [9, 10, 14-17, 23-25], либо в настоящее время проходят экспертизу на получение патентов на изобретения [11-13, 18-22]. Схематичные представления направлений совершенствования вариантов системы на основе гидравлических и электрических датчиков приведены на рис. 2 и 3 соответственно.
В настоящее время проводятся лабораторные испытания нестандартных элементов системы. Последующими этапами запланированы дорожные испытания системы и оценка ее технико-экономических показателей.
В заключение следует отметить, что использование автоматических систем контроля и регулирования схождения управляемых колес автомобилей в движении является единственно возможным и вполне осуществимым способом комплексного улучшения таких эксплуатационных свойств автомобиля, как устойчивость, управляемость и топливная экономичность, а также обеспечения снижения износа шин и сопутствующих ему образований шинной пыли и выбросов канцерогенных веществ в окружающую среду.
Библиографический список
1. Автомобильные шины. Конструкция, механика, свойства, ния управляемых колес транспортных средств // Экономия эксплуатация / О.Б. Третьяков [и др.]. М.: КолосС, Химия, нефтяных топлив на автомобильном транспорте: межвуз. сб. 2007. 432 с. науч. тр. М.: ВЗМИ, 1986. С. 111-122.
2. Рязанцев В.И., Жуков А.М.О регулировании угла схожде- 3. Рязанцев В.И., Копаев А.В. Математическая модель сис-
темы автоматического регулирования угла схождения управляемых колес автомобиля // Вестник машиностроения. 2001. № 7. С. 14-18.
4. Рязанцев В.И. Активная система регулирования схождения колес // Автомобильная промышленность. 1998. № 10. С. 35-36.
5. Рязанцев В.И. Активное управление схождением колес автомобиля. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 212 с.
6. Бондаренко Е.В., Рассоха В.И., Исайчев В.Т. Система автоматического регулирования схождения управляемых колес автотранспортных средств в движении / // Прогрессивные технологии в транспортных системах: сборник докладов VII Российской научно-практической конференции. Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2005. С. 70-73.
7. Рассоха В.И. Разработка системы для непрерывного регулирования схождения управляемых колес автотранспортных средств в движении / В.И. Рассоха, Е.В. Бондаренко, В.Т. Исайчев // Вестник Оренбургского государственного университета. 2008. № 2. С. 138-143.
8. Рассоха В.И., Бондаренко Е.В., Исайчев В.Т. Система регулирования схождения управляемых колес автотранспортных средств в движении / // Наука и технологии: краткие сообщения XXVIII Российской школы по проблемам науки и технологий. Секция 4: Динамика и управление. Екатеринбург: РАН, 2008. С. 60-62.
9. Решение о выдаче патента на изобретение от 27.06.2008 г. по заявке №2007121970 от 13.06.2007 г. Устройство для автоматического регулирования схождения управляемых колес автотранспортного средства в процессе движения / Е.В. Бондаренко, В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев.
10. Пат. 2309078 Российская Федерация, МПК В 62 О 6/04; В 62 О 17/00; О 01 М 17/06. Устройство для автоматического регулирования схождения управляемых колес в процессе движения / Бондаренко Е.В., Бондаренко В.А., Рассоха В.И., Исайчев В.Т., Килов А.С. № 2005131824; заявл. 13.10.05; опубл. 27.10.2007, Бюл. № 30. 4 с. : ил.
11. Приоритетная справка по заявке на изобретение №
2008133442 от 14.08.2008 г. Устройство для автоматического регулирования схождения управляемых колес автомобиля в процессе движения / В.И. Рассоха, Е.В. Бондаренко, В.Т. Исайчев.
12. Приоритетная справка по заявке на изобретение №
2008133443 от 14.08.2008 г. Устройство для автоматического регулирования схождения управляемых колес автотранспортного средства в движении / В.И. Рассоха, Е.В. Бондаренко, В.Т. Исайчев.
13. Приоритетная справка по заявке на изобретение №
2008133444 от 14.08.2008 г. Устройство для непрерывного автоматического регулирования схождения управляемых колес автотранспортного средства в движении / В.И. Рассоха, Е.В. Бондаренко, В.Т. Исайчев.
14. Пат. 49257 Российская Федерация, МПК О 01 М 17/06. Устройство для автоматического регулирования схождения управляемых колес в процессе движения / Бондаренко Е.В., Бондаренко В.А., Рассоха В.И., Исайчев В.Т., Килов А.С. - № 2005119566; заявл. 23.06.05; опубл. 10.11.05, Бюл. № 31. 2 с.
15. Пат. 2309867 Российская Федерация, МПК В 62 О 6/04; В 62 О 17/00; О 01 М 17/06. Устройство для автоматического регулирования схождения управляемых колес в процессе движения / Бондаренко Е.В., Бондаренко В.А., Рассоха В.И., Исайчев В.Т., Килов А.С. - № 2005141086; заявл. 27.12.05; опубл. 10.11.2007, Бюл. № 31. 4 с.
16. Решение о выдаче патента на изобретение от 30.07.2008 г. по заявке №2007129277 от 30.07.2007 г. Устройство для непрерывного автоматического регулирования схождения управляемых колес транспортного средства в движении / Е.В. Бондаренко, В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев.
17. Решение о выдаче патента на изобретение от 30.07.2008 г. по заявке №2007127411 от 17.07.2007 г. Устройство для непрерывного автоматического регулирования схождения управляемых колес в движении / Е.В. Бондаренко, В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев.
18. Приоритетная справка по заявке на изобретение № 2007149201 от 29.12.2007 г. Устройство для непрерывного автоматического регулирования схождения управляемых колес автомобиля в движении / Е.В. Бондаренко, В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев.
19. Решение о выдаче патента на изобретение от 30.01.2009 г. по заявке №2008102903 от 25.01.2008 г. Устройство для непрерывного автоматического регулирования схождения управляемых колес автомобиля в движении / Е.В. Бондарен-ко, В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев.
20. Приоритетная справка по заявке на изобретение № 2008149028 от 11.12.2008 г. Устройство для непрерывного автоматического регулирования схождения управляемых колес автомобиля в движении / В.И. Рассоха, К.В. Щурин, Е.В. Бондаренко, В.Т. Исайчев.
21. Приоритетная справка по заявке на изобретение № 2009100436 от 11.01.2009 г. Устройство для непрерывного автоматического регулирования схождения управляемых колес автомобиля в движении / В.И. Рассоха, К.В. Щурин, Е.В. Бондаренко, В.Т. Исайчев.
22. Приоритетная справка по заявке на изобретение № 2009100611 от 29.01.2009 г. Устройство для непрерывного автоматического регулирования схождения управляемых колес автомобиля в движении / В.И. Рассоха, К.В. Щурин, Е.В. Бондаренко, В.Т. Исайчев.
23. Решение о выдаче патента на изобретение от 09.10.2008 г. по заявке №2007113391 от 10.04.2007 г. Устройство для автоматической установки схождения управляемых колес в процессе движения / Е.В. Бондаренко, В.А. Бондаренко, В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев, А.С. Килов.
24. Решение о выдаче патента на изобретение от 08.08.2008 г. по заявке №2007113393 от 10.04.2007 г. Устройство для автоматической установки схождения управляемых колес в процессе движения / Е.В. Бондаренко, В.А. Бондаренко, В.И. Рассоха, В.Т. Исайчев, А.С. Килов.
25. Пат. 2333470 Российская Федерация, МПК О 01 М 17/06. Способ автоматической установки схождения управляемых колес в процессе движения / Бондаренко Е.В., Бондаренко В.А., Рассоха В.И., Исайчев В.Т., Килов А.С. - №2006105921; заявл. 26.02.2006; опубл. 10.09.2008, Бюл. № 25. 3 с.
