CC BY
41
УДК 629.371.21
СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОНОЧНОГО АВТОМОБИЛЯ «ДАЛЛАРА Т12»
К.С. Хряков, П.А. Сорокин
Рассмотрено практическое применение способа обеспечения устойчивости и улучшения управляемости гоночного автомобиля за счет управления его аэродинамическими элементами, на примере системы обеспечения устойчивости гоночного автомобиля «Даллара Т12».
Ключевые слова: гоночный автомобиль, «Даллара Т12» система обеспечения устойчивости, закрылки антикрыльев, гидросистема.
Продольный и поперечный перенос массы, возникающий во время движения гоночного автомобиля по трассе, приводит к изменению показателей его курсовой устойчивости и управляемости [1, 2].
В качестве одного из решений этой проблемы, авторами работ [3, 4] предложен способ активного управления аэродинамической нагрузкой гоночного автомобиля. Сущность этого способа заключается в установке дополнительной системы автоматического управления, которая при изменении показателей устойчивости и управляемости будет вырабатывать активные воздействия на закрылки антикрыльев скоростного транспортного средства с целью обеспечения его стабильного движения.
В данной работе рассматривается практическое применение этого способа на примере системы обеспечения устойчивости гоночного автомобиля «Даллара Т12».
Система представляет собой набор дополнительных элементов и узлов, устанавливаемых на шасси автомобиля и взаимодействующих со стандартными системами гоночного автомобиля «Даллара Т12».
Расположение элементов системы обеспечения устойчивости гоночного автомобиля «Даллара Т12» в кривых схематически приведено на рис. 1.
Основным элементом системы является программируемый логический контроллер фирмы «Ваго» (Германия), установленный в боковом понтоне шасси и питаемый от электрической системы автомобиля.
Бортовая электрическая система гоночного автомобиля «Даллара Т12» работает на постоянном токе с напряжением 12 В. В свою очередь, для питания контроллера необходимо напряжение 24 В, поэтому также требуется установка на автомобиль повышающего DC-DC преобразователя.
В контроллер поступает информация со следующих датчиков, уже установленных на автомобиле стандартной конфигурации:
датчика измерения скорости переднего левого колеса автомобиля;
102
биля;
ля;
биля;
датчика измерения скорости переднего правого колеса автомо-
датчика измерения скорости заднего левого колеса автомобиля; датчика измерения скорости заднего правого колеса автомоби-
датчика измерения продольного и поперечного ускорения автомо-
датчика измерения угла поворота руля автомобиля.
Рис. 1. Система обеспечения устойчивости гоночного автомобиля «Даллара Т12» при прохождении кривых малого
радиуса
Значение скорости движения автомобиля, вычисляемое по специальному алгоритму, исходя из значений скорости каждого колеса, поступает в контроллер из блока управления двигателем.
Контроллер анализирует информацию, поступающую с подключенных к нему датчиков по определенному алгоритму, на основании которого и вырабатывает управляющие воздействия на катушки пропорциональных гидрораспределителей системы управления закрылками.
Вся информация о работе контроллера передается в бортовой регистратор данных, который позволяет инженерам, обслуживающим автомобиль, следить за работой системы обеспечения устойчивости в каждом конкретном месте трассы.
Возможность анализа работы системы обеспечения устойчивости позволяет при необходимости своевременно вносить изменения в алгоритм работы контроллера с целью повышения эффективности работы системы.
Преимущества систем управления с логическими программируемыми контроллерами изложены в работах [5, 6].
Программа контроллера написана на графическом языке программирования СБС в среде разработки СОББ8У8.
Среда разработки СОББ8У8 является свободно распространяемым комплексом для программирования логических котроллеров.
Основное преимущество графического языка программирования СБС заключается в том, что программа, написанная на этом языке, может выполнять множество параллельных процессов, возникающих в результате обработки входной информации, полученной с подключенных к контроллеру датчиков, в то время как текстовые программы постоянно прорабатывают всю цепочку алгоритма. Использование параллельного принципа программирования позволяет сократить время быстродействия системы обеспечения устойчивости, что является очень важным при прохождении поворотов на высоких скоростях [3, 6].
Программа контроллера выполняется циклически в течение всего времени, пока контроллер работает. Это позволяет непрерывно отслеживать управляемость автомобиля и при необходимости активно управлять ей. Так, при вхождении автомобиля в кривую система начинает управлять закрылками антикрыльев, стремясь приблизить реальную управляемость автомобиля к нейтральной. После выхода из кривой, в случае выполнения всех условий алгоритма работы программы система возвращает все закрылки антикрыльев в исходное положение, соответствующее минимальному углу атаки.
Таким образом, осуществляется рациональное использование прижимной силы: в кривых, при необходимости, система управления создает максимально возможный уровень прижимной силы, а на прямых участках трассы - минимальный, снижая, таким образом, лобовое сопротивление движению автомобиля. В результате создаются благоприятные условия для увеличения скорости как в кривых, так и на прямых участках трассы.
Для функционирования системы управления закрылками антикрыльев на автомобиле дополнительно устанавливается блок из трех гидрораспределителей. Количество гидрораспределителей соответствует числу управляемых закрылков и объясняется аэродинамической конфигурацией гоночного автомобиля «Даллара Т12».
Так, переднее антикрыло гоночного автомобиля «Даллара Т12» имеет два независимых закрылка, расположенных слева и справа от продольной оси автомобиля. При этом заднее антикрыло оборудовано только одним закрылком, расположенным над основной плоскостью антикрыла.
Такую аэродинамическую конфигурацию имеет большинство современных автомобилей формульного класса [7]. Поэтому система управления с тремя управляемыми закрылками может быть установлена не только на автомобиле «Даллара Т12», но и на любом другом транспортном средстве подобного типа.
Поскольку закрылки переднего антикрыла имеют небольшие размеры, для управления ими достаточно использования одного гидроцилиндра. При этом для управления длинным закрылком заднего антикрыла целесообразно установить два параллельно работающих гидроцилиндра.
Гидроцилиндры, управляющие закрылками переднего антикрыла, имеют собственные гидрораспределители, в то время как для двух гидроцилиндров, управляющих закрылком заднего антикрыла, предусмотрен один общий гидрораспределитель.
Принципиальная гидравлическая схема системы обеспечения устойчивости гоночного автомобиля «Даллара Т12» при прохождении кривых приведена на рис. 2.
На автомобиль устанавливаются пропорциональные гидрораспределители с двумя подпружиненными электромагнитами. Управление каждым гидрораспределителем осуществляется воздействиями контроллера системы управления. Управляющие воздействия усиливаются при помощи ШИМ-усилителей, работающих по принципу широтно-импульсной модуляции [8].
Все агрегаты и узлы современных гоночных автомобилей очень плотно скомпонованы для максимального снижения массы автомобилей и их габаритов [1]. Поэтому конструкторами гоночного автомобиля «Далла-ра Т12» зарезервировано «минимальное» пространство для размещения дополнительных узлов и систем шасси.
В связи с этим целесообразно использовать компактные элементы гидросистемы, специально спроектированные для размещения на машинах с ограниченным установочным пространством.
Использование интегрированного блока насосной станции фирмы «Гидра Продукс» (Англия) позволяет объединить в одном узле бак гидросистемы Б, запорный клапан КЗ, насос Н, предохранительные клапаны КП1 и КП2, датчик давления МН и фильтр Ф. При этом размеры блока насосной станции в основном определяются объемом бака Б.
Механизм управления
левым закрылком переднего антикрыла
Ц1
Механизм управления правым закрылком переднего антикрыла
Ц2
Механизм управления закрылком заднего анти крыла
ЦЗ
Ц4
Рис. 2. Принципиальная гидравлическая схема системы обеспечения устойчивости гоночного автомобиля «Даллара Т12» при прохождении
кривых
Для привода закрылков используются «микрогидроцилиндры» Ц1, Ц2, Ц3 и Ц4 фирмы «Бансбах Изилифт» (Германия).
Для управления гидроцилиндрами используются пропорциональные гидрораспределители Р1, Р2 и Р3 фирмы «Бош Рэксрот» (Германия).
Суммарная масса элементов системы управления, установленной на гоночный автомобиль «Даллара Т12», составляет 11,147 кг. Такое увеличение массы автомобиля не является существенным, поскольку зачастую для соответствия автомобиля регламенту соревнований по минимальной массе гоночные команды вынуждены устанавливать дополнительный балласт, массой до 10.. .20 кг в зависимости от массы гонщика.
Для анализа работы системы обеспечения устойчивости гоночного автомобиля «Даллара Т12» и оценки ее быстродействия система была смоделирована в среде МЛТЬЛВ - 81шиНпк. Структура модели позволяет отслеживать следующие основные параметры работы системы: управляющие сигналы на открытие и закрытие гидрораспределителей, линейные перемещения и скорость штоков гидроцилиндров, усилия на штоках гидроцилиндров, давление и расход рабочей жидкости.
Для анализа быстродействия работы системы было рассмотрено увеличение угла атаки закрылка переднего антикрыла с минимального (0°) до максимального (32°) значения. График увеличения угла атаки закрылка переднего антикрыла представлен на рис. 3.
106
На рис. 3 вместо изменения реального углового положения закрылка изображено линейное перемещение штока гидроцилиндра, осуществляющего управление этим закрылком. При минимальном угле атаки закрылка шток гидроцилиндра полностью втянут, при максимальном угле атаки шток выдвинут на 45,5 мм.
V
3"
4>
г
а
»
с
50 45
40
35 30 25 20 15 10 5
1 -
1 ^__
----
/
■■:.; :.;.!. .... шшЬ 1 ................
4,99
5,00
5,01
5,02
5,03
5,04 5,05 Время (с)
5,06
5,07
5,08
5,09
5,10
— Перемещение штока гидроцилиндра
Давление (МПа) -—Расход (л/мин) —Управляющий сигнал
(мм)
Рис. 3. График изменения угла атаки закрылка переднего антикрыла гоночного автомобиля «Даллара Т12» с минимального до максимального значения
В момент времени, равный 5 с, управляющий импульс продолжительностью 0,05 с подается на гидрораспределитель, управляющий положением рассматриваемого закрылка переднего антикрыла. Золотник распределителя смещается, и рабочая жидкость поступает в поршневую зону гидроцилиндра. Шток начинает выдвигаться. В этот момент рабочее давление составляет 5.. .6 МПа, а расход - 13,5 л/мин.
В момент времени, равный 5,078 с, шток гидроцилиндра выдвигается на максимальное расстояние. Расход рабочей жидкости падает до нуля, а давление возрастает до 10,5 МПа. После этого происходят затухающие колебания этих величин, и в момент времени 5,093 с система переходит в состояние равновесия.
Однако, поскольку колебания штока не значительны, можно считать, что процесс увеличения угла атаки с минимального до максимального значения заканчивается в момент времени 5,078 с.
107
Таким образом, быстродействие системы при изменении угла атаки одного закрылка равняется 0,078 с.
Список литературы
1. Milliken W.F. Race car vehicle dynamics. Warrendale: SAE International, 1995. 890 p.
2. Pacejka H.B. Tyre and vehicle dynamics. Oxford: ButterworthHeinemann, 2006. 642 p.
3. Хряков К.С. Повышение устойчивости скоростных безрельсовых транспортных средств при прохождении кривых малого радиуса: дис. ... канд. техн. наук. М., 2017. 196 с.
4. Хряков К.С., Сорокин П.А. Система повышения устойчивости гоночных автомобилей при прохождении поворотов на больших скоростях // Транспортные системы Сибири. Развитие транспортной системы как катализатор роста экономики государства: международная научно-практическая конференция (Красноярск, 7 - 8 апреля 2016 г.). Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2016. Ч. 2. С. 356 - 360.
5. Афонский А. А., Дьяконов В.П. Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики. Сер. «Библиотека инженера». М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2009. 248 с.
6. Мишин А.В. Метод обеспечения устойчивости башенных кранов при действии случайных ветровых нагрузок: дис. ... канд. техн. наук. М., 2014. 158 с.
7. Katz J. Race car dynamics: designing for speed. Cambridge: Bentley Publishers, 1995. 270 p.
8. Иванов Г.М., Свешников В.К., Орлик И.В. Цифровая электрогидравлическая автоматика нового поколения // Гидравлика и пневматика. 2006. №21. С. 3 - 8.
Хряков Кирилл Станиславович, канд. техн. наук, kirill-khryakov a mail.ru, Россия, Москва, Российский университет транспорта (МИИТ),
Сорокин Павел Алексеевич, д-р техн. наук, pavalsorarambler. ru, Россия, Москва, «Российскийуниверситет транспорта (МИИТ)»
SYSTEM FOR ENSURING STABILITY OF «DALLARA T12»MCE CAR
K.S.Khryakov, P.A. Sorokin
The practical application of the method for ensuring stability and improving controllability of a race car due to control of its aerodynamic elements, on example of the stability system of the «Dallara T12»rrcc car is consideerd.
Key words: race car, «Dallara T12», sysiemfon emming stability, wings flaps, hydraulic system.
Khryakov Kirill Stanislavovich, candidate of technical sciences, kirill-khryakov@,mail.ru, Russia, Moscow, Russian University of Transport (RUT - MIIT),
Sorokin Pavel Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, pavalsorarambler. ru, Russia, Moscow, Russian University of Transport (RUT - MIIT)
УДК 593.3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ПОЛОСТИ В УПРУГОМ ЦИЛИНДРЕ ПО ОТРАЖЕНИЮ ЗВУКА
С.А. Скобельцын, Н.Ю. Пешков
Предлагается метод определения положения центра эллиптической полости в упругом цилиндре по известному рассеянному полю плоской гармонической звуковой волны. Проведена проверка схемы идентификации положения центра полости в ряде численных экспериментов. Исследовано влияние погрешности измерительных приборов на точность определения параметра цилиндра. Предложенный алгоритм достаточно универсален и может быть использован для идентификации различных параметров упругого препятствия.
Ключевые слова: дифракция звука, обратная задача, смещение эллиптической полости, метод золотого сечения, датчики, погрешность измерения.
Определение параметров рассеянного звукового поля на основе известных параметров падающей волны, геометрических параметров упругого препятствия и свойств его материала, а также свойств материала содержащей среды, как правило, не может быть использовано непосредственно для решения практических задач.
Существенный практический интерес представляют задачи определения параметров упругого препятствия по полностью или частично известному рассеянному полю. Такие задачи относятся к классу обратных задач [1-3]. В теоретическом плане полное решение таких задач представляет существенные трудности. Влияние многих искомых параметров на результат решения задачи о рассеянии звука является нелинейным, что не позволяет использовать аппарат линейных интегральных уравнений. Для решения ряда практических задач достаточно эффективными оказываются вариационные методы, при использовании которых ищется приближенное решение, доставляющее экстремальное значение функционала, величина которого характеризует степень соответствия приближенного решения точному.
