CC BY
79
Управление динамикой движения седельных автопоездов
А.М. АБРАМОВ, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого
Целью автоматизированном системы управления динамиком движения автопоездов (СУДАП), как и любой автоматической системы, является оказание помощи водителю в критических ситуациях. Путем активного использования сил и моментов тормозной и противобук-совочной систем в режиме продольного и поперечного движения формируется механизм, оказывающий положительное влияние на устойчивость транспортного средства в целом, а также механизм активного предотвращения складывания и бокового опрокидывания седельного автопоезда.
Элементная база системы СУДАП формируется на основе известных систем: электронной тормозной системы (ЭТС) и входящих в нее антиблокировочной тормозной системы (АБС) и противобуксовочной системы (ПБС). Результаты измерений, полученные в эксперименте, подтверждают целесообразность широкого внедрения разработанной автоматизированной СУДАП.
Динамика движения транспортного средства описывается дифференциальными уравнениями продольного, поперечного и вращательного движений. Рассматривая в качестве входного сигнала угол поворота рулевого колеса, можно показать, что угловое перемещение транспортного средства относительно вертикальной оси даже при условии, что коэффициент сцепления не превышает предельных значений, зависит как от параметров входного сигнала — угла поворота рулевого колеса и его скорости, так и от скорости движения и поворачиваемости транспортного средства (рис. 1).
В целом уравнения движения транспортного средства показывают, что все виды движения (круговое, ускорение, крен и т.д.) подвержены влиянию сил, возникающих в результате взаимодействия шин с опорной поверхностью. Продольные и поперечные силы (Вх и Ву) взаимодействия шины с опорной поверхностью зависят от коэффициента проскальзывания 5, угла бокового увода 5 и вертикальной нагрузки [1, 2, 3]. Если при криволинейном движении, например, в результате торможения одного колеса, проявляется изменение коэффициента проскальзывания 5, то сразу же изменяются продольные Бх и
боковые силы Бу. Вследствие изменения поперечных сил оказывается воздействие на курсовой угол р и поперечную динамику автомобиля. Наглядно эти отношения демонстрируются на рис. 2 относительно сил на
левом переднем колесе. У свободно катящегося колеса (5=0) результирующая сила колеса Бк (5=0) равна боковой силе Бу11 (5=0), которая пропорциональна углу увода колеса 5. При торможении в результате повышения коэффициента проскальзывания (5]) возрастает тормозная сила Вги и одновременно снижается боковая сила Ву11. Результирующая сила ^жи (5,) рассчитывается из сложения векторов Бх11 (5,) и Бу11 (5,). В результате изменения коэффициента проскальзывания возникает разворачивающий момент результирующей силы Ртъ что в свою очередь приводит к
Угол рыскания /3
-т*
Дорога с низким коэффициентом сцепления
Дорога с высоким коэффициентом сцепления
Рис. 1. Поперечная динамика автопоезда на дороге с низким и высоким коэффициентами сцепления
мм
..........
ц. м:^^
Рис. 2. Силы, действующие на переднее левое колесо, с учетом скольжения при торможении
изменению момента рыскания (момента углового перемещения относительно вертикальной оси) с Ик (5=0) до Ик (5]). Кроме того, снижение боковых сил до Бу11 (5!) способствует уменьшению разворачивающего момента, который в значительной степени определяется боковой силой.
Система СУДАП должна учитывать величину угловой скорости относительно вертикальной оси шг. При превышении пороговых значений коэффициента сцепления во время криволинейного движения (например, на скользкой дороге) отсутствие управления курсовым углом может привести к значительному изменению угла рыскания р и, как следствие, к потере устойчивости транспортного средства (рис. 1, верхняя кривая). Исходя из этого, система управления СУДАП должна учитывать не только угловую скорость относительно вертикальной оси, но и угол рыскания в.
Для транспортных средств с высоко расположенным центром масс, наряду с опасностью бокового заноса на дороге с низким коэффициентом сцепления, существует опасность его опрокидывания на дороге с высоким коэффициентом сцепления. Поэтому система СУДАП для подобного вида транспортных средств должна принимать во внимание в дополнение к вышеназванным характеристикам (угловая скорость относительно вертикальной оси шг и угол рыскания в) еще и крен кузова 2, который создает угрозу переворота транспортного средства.
СУДАП в основном базируется на имеющейся электронной системе управления тормозами ЭТС, которая уже осуществляет управление продольной динамикой автомобиля. Эта система осуществляет продольное замедление автопоезда посредством торможения, с использованием функции АБС, и ограничения крутящего момента двигателя посредством противопробуксовочной системы ПБС. С помощью СУДАП оказывается воздействие на поперечную динамику автопоезда, а именно на поперечное и угловое отключение и на поперечные колебания автомобиля и прицепа. Тем самым, посредством целенаправленного воздействия с помощью имеющихся систем (тормозной системы, двигателя) предотвращаются критические ситуации, связанные, в первую очередь, с поперечным движением, такие как
Рнс. 3. Блок-схема СУДАП
Рис. 4 Расчет заданных значений и концепция управления системы СУДАП
занос или опрокидывание, и таким образом ситуация остается контролируемой водителем.
СУДАП представляет собой работающий параллельно с водителем контур управления, который исключительно в критических ситуациях активно помогает водителю (рис. 3).
Для управления степенью свободы в поперечной плоскости в блоке управления СУДАП должны быть рассчитаны заданные значения. Для этого с помощью математической модели для седельного автопоезда определяются угловая скорость автомобиля и полуприцепа относительно вертикальной оси, угол рыскания, угол складывания автопоезда и максимально допустимое поперечное ускорение, при котором возникает угроза опрокидывания автопоезда. Рассчитанные с помощью
математической модели заданные значения так должны моделировать поведение транспортного средства в стабильном режиме движения, чтобы при нормальном движении автомобиля не требовалось никаких вмешательств.
На рис. 4 представлена структура СУДАП.
Математические модели для расчета заданных значений в системе управления динамикой должны быть эффективно запрограммированы в блоке управления, и для них должно требоваться как можно меньше расчетного времени. Расчет заданных значений для системы СУДАП основывается на решении дифференциальных уравнений, с помощью которых и выводится математическая модель движения ав-
топоезда (рис. 5). При этом должны учитываться и такие качества грузового автомобиля, как переменная масса, опасность опрокидывания и другие.
В случае с седельным автопоездом (рис. 6) может быть использована велосипедная модель для получения линеаризованных уравнений поперечной динамики:
(1)
где: у1, у2 — перемещение центра тяжести тягача и полуприцепа в поперечном направлении; в2 — угол рыскания тягача и полуприцепа; ш21, шг2 — угловая скорость тягача и полуприцепа относительно вертикальной оси; Ву1, Ву2 — силы бокового увода на колесах тягача; Бу3 — сила бокового увода на колесах полуприцепа; Бусц— сила в опорно-сцепном устройстве, действующая в поперечном направлении; т1, т2 — масса тягача и седельного прицепа; 1гЪ 42 — момент инерции тягача и седельного прицепа относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести.
После исключения ВАГ и геометрического перерасчета угла бокового увода 8 с учетом курсового угла в, угловой скорости относительно вертикальной оси шг и угла поворота управляемых колес а из уравнений (1) выводятся модели для расчета заданных значений.
Для описанного здесь автопоезда получается выражение, в котором угловая скорость является исходной величиной, а угол поворота рулевого колеса — а входной величиной:
= £<?„ щ, щ, в) =
1+Ев¡(щ, т2, в
(2)
где: V — мгновенное значение продольной скорости;
БС1 — первый градиент поворачива-емости;
О — конструктивные параметры автопоезда.
При расчете градиента поворачивае-мости у грузовых автомобилей в значительно большей степени учитываются колебания массы транспортного средства и геометрические параметры.
По аналогии с выражением (2) определяется угол рыскания /3:
= Ев„ Ев„ щ, щ, в)
(3)
и это позволяет построить математическую модель для определения угла складывания седельного автопоезда
I Руг,
Рис. 5. Схема сил, действующих на автопоезд при криволинейном движении
Полуприцеп
У\
а,,
Тягач
Рис. 6. Велосипедная модель седельного автопоезда
Недостаточная поворачиваемость
Избыточная поворачиваемость
реальное
о
Корректирующий момент СУДАП
Рис. 7. Основная стратегия управления
/ ^ реальное
Корректирующий момент СУДАП
— = /2(у, Ев„ Ев¡, щ, щ, в)
(3)
С помощью выражений (2), (3), (4) математической модели определяется стабильное поведение транспортного средства. Отклонения от стабильного поведения автомобиля проявляются в нестационарных фазах движения в незначительной степени, а в нестабильных фазах движения — в большей степени. Если эти отклонения превысят допустимый порог, тогда система
СУДАП оказывает стабилизирующие воздействия.
Для стабилизации транспортного средства в критической ситуации СУДАП на основе рассогласования выдает корректирующие сигналы, которые передаются далее в соответствии с текущим состоянием автомобиля на трансмиссию или на отдельно притормаживающие колеса. Цель стабилизирующего воздействия состоит в том, чтобы разрядить крити-
ческую ситуацию и сделать ее контролируемой.
У грузового автомобиля, так же как и у легкового, различают две основные критические ситуации: недостаточная и избыточная поворачивае-масть (в сравнении с нейтральной по-ворачиваемостью).
Стабилизирующее тормозное воздействие прикладывается при недостаточной поворачиваемости автомобиля на внутреннее колесо задней оси. Если автомобиль обладает избыточной повора-чиваемостью, тормозное воздействие прикладывается на переднее внешнее колесо (рис. 7). При такой стратегии управления принимается во внимание следующее: из-за торможения одного колеса стабилизирующий разворачивающий момент, изменяющий движение автомобиля, возникает в результате увеличения продольной силы на колесе. С возникновением этой продольной силы одновременно уменьшается сила бокового увода на тормозящем колесе, которая обеспечивает стабилизирующий момент.
Стабилизирующее воздействие может осуществляться благодаря торможению и на остальные колеса вне зависимости от режима движения, состояния загрузки и, соответственно, нагрузки на колеса.
В дополнение к поведению легкового автомобиля у седельных автопоездов различают еще дополнительные критические ситуации движения:
• избыточная и недостаточная пово-рачиваемость прицепа;
• опасность переворота транспортного средства.
Эти ситуации могут быть взяты под контроль соответствующим стабилизирующим воздействием системы СУДАП.
С помощью функциональной зависимости (4) по аналогии с тягачами
описывается стационарное номинальное поведение седельного полуприцепа в случае его недостающей или избыточной поворачиваемости. Если во время движения проявляются повышение отклонения от номинального поведения, тогда принимаются меры по стабилизации движения посредством тормозных воздействий на полуприцеп.
Учитывая, что индивидуальные бортовые тормозные воздействия у седельного полуприцепа на практике нецелесообразны, торможение седельного полуприцепа осуществляется всеми колесами одновременно. Кроме того, у грузовых автомобилей существует опасность переворачивания из-за высоко расположенного центра масс при возникновении боковых ускорений (например, при криволинейном движении или совершении маневра). При этом динамическая граница опрокидывания не определяется как постоянная предельная величина, значительно чаще переворот автомобиля происходит вследствие боковых ускорений, на которые оказывают влияние:
• динамические характеристики автомобиля: жесткость подвески, вид загрузки и другие характеристики;
• характеристики дороги (уклон проезжей части);
• выполняемый маневр.
Система СУДАП своевременно распознает угрозу опрокидывания и осуществляет стабилизирующее воздействие. Дополнительные требования к системе СУДАП грузового автомобиля предъявляются вследствие сильно варьирующихся конфигураций транспортных средств (например, меняющаяся загрузка, состав автопоезда) и получающихся в результате этого разных параметров математических моделей. Эти параметры не могут оставаться
постоянными, как в системе ESP легкового автомобиля, а автоматически должны адаптироваться к конкретному состоянию транспортного средства.
Таким образом, вектор скорости EG1 зависит от массы автомобиля и соответственно от массы отдельных его элементов и от геометрии транспортного средства (уравнение 2).
Аналогичная зависимость существует и для других векторов скорости EG0 и EG2.
Идентификация этих изменяющихся параметров осуществляется системой СУДАП с помощью различных блоков (рис. 4).
Таким образом, система управления динамикой автопоезда повышает активную безопасность за счет:
• повышения курсовой устойчивости автопоезда при предельно сложных условиях дорожного движения для всех режимов эксплуатации;
• повышения стабильности движения во время экстренных маневров управления, вызванных неуверенностью и паникой водителя, и как следствие — значительного уменьшения опасности заноса и опрокидывания.
Эти преимущества позволяют делать выводы, что система управления динамикой автомобиля СУДАП значительно повышает активную безопасность движения, а также способствует предотвращению ДТП и уменьшению масштабов причиняемого ими ущерба.
ЛИТЕРАТУРА
1. Erhardt R., van Zanter A.T. Die Regelung der Fahrdynamik im physikalischen Grenzbereich //DI-Berichte. - 1995. - .№ 1224.
2. Hecker F., Hummel S., Jundt O., Leimbach K.-D., Faye I., Schramm Y. Fahrdynamik-regelung fuer Nutzfahrzeuge//VDI-Berichte. — 1997. — № 1341.
3. Литвинов А. С. Управляемость и устойчивость автомобиля. — М.: Машиностроение, 1971.
