Оглавление
Введение 3
1 Антиблокировочная система автомобиля. Устройство. Принцип действия. Алгоритмы управления 7
1.1 Устройство и принцип действия тормозной системы с АБС 7
1.1.1 Устройство тормозной системы................... 7
1.1.2 Цель и классификация АБС ......................... 10
1.1.3 Датчик ........................................... 14
1.1.4 ЭВМ............................................ 15
1.1.5 Пневматическая тормозная система............... 15
1.1.6 Гидравлическая тормозная система............... 16
1.1.7 Силы, действующие при проскалзывании колес ... 18
1.1.8 Цикл работы АБС................................ 19
1.2 Некоторые особенности алгоритмов управления АБС ... 23
2 Математическая модель движения колес, снабженных АБС. 31
2.1 Уравнения движения автомобиля........................ 31
2.1.1 Системы координат и переменные................. 31
2.1.2 Динамические уравнения движения автомобиля в
целом ............................................. 33
2.1.3 Кинематические уравнения движения автомобиля . 36
2.1.4 Соотношения для сил в контакте колеса с дорогой . 37
2.1.5 Модель движения контактного элемента........... 38
1
2
2.1.6 Уравнения вращательного движения колеса .... 39
2.1.7 Модель контактных сил........................... 40
2.1.8 Модель вертикальных колебаний колеса............ 41
2.1.9 Модель тормозной системы........................ 43
2.2 Апроксимация Паде для (p(s) характеристики............. 44
2.3 Полная система уравнений................................. 46
2.4 Фракционный анализ ...................................... 49
2.4.1 Описание характерных постоянных времени задачи 49
2.4.2 Характерное время пневматической тормозной системы.................................................. 56
2.4.3 Фракционный анализ уравнений движения 58
2.5 О дальнейшем упрощении уравнений движения................ 74
3 Периодические режимы изменения угловой скорости колеса и их устойчивость 81
3.1 Постановка задачи........................................ 81
3.2 Отыскание периодических решений.......................... 83
3.3 Уравнения в отклонениях и устойчивость периодических
решений.................................................. 94
3.4 Анализ устойчивости периодического решения............... 97
3.5 Сравнение результатов для различных типов дорожной
поверхности..............................................111
Заключение 119
Список литературы
121
Введение
В настоящее время одним из самых важных критериев выбора автомобиля является его безопасность. Совершенствование автомобиля включает не только повышение мощности двигателя и дизайн кузова и салона. Оно требует также повышение свойств материалов, прочности рамы автомобиля, хорошее функционирование тормозной системы в экстремальных ситуациях и многое другое. Группа интересных и актуальных задач прикладной механики связана с моделированием поведения тормозной системы автомобиля. Этой тематике посвящены исследования большой группы специалистов во всем мире. Среди них A.A. Хачатуров, И.В. Новожилов, М.Х. Магомедов в России и J.K. Hedrick, Т. Gillespie и другие за ее рубежами.
Существуют разные типы конструкций тормозных устройств: барабанные, дисковые, пневматические, гидравлические, с антиблокировочными системами (АБС) и даже интеллектуальные тормозные системы. Антиблокировочной системой называют группу устройств, которые вмешиваются в управление тормозной системой автомобиля, предотвращают блокировку колес и тем самым снижают опасность заноса автомобиля.
Антиблокировочные тормозные системы (АБС) способствуют сохранению прямолинейного движения автомобиля и уменьшают тормозной путь в большинстве реальных ситуаций, особенно на мокрой или скользкой дороге.
Важность усовершенствования антиблокировочных систем подтверждается данными, приведенными ниже.
3
4
Следующая таблица показывает особенности безопасности, полученные на тормозных системах без АБС и четырехколесных антиблокировочных тормозных системах (АБС).
Обычная система Четырехколесная АБС
Предотвращает блокировку колеса при многих дорожных условиях X
Позволяет водителю поддерживать управление, когда тормоза полностью применены X
Датчики обнаруживают неизбежность блокировки колеса X
Накачивает тормоза как водитель, только намного быстрее и более эффективно X
Участвует, когда водитель нажимает на педаль тормоза X
Предотвращает нежелательное вращение колеса при низком сцеплении X
Регулирует ускорение автомобиля в ситуациях низкого сцепления, X
Исследование, выпущенное американской Автомобильной Ассоциацией Производителей (ААМА) и Ассоциацией Международных Автомобильных Производителей (А1АМ) показывает, что антиблокировочные тормозные системы могут значительно уменьшить число аварий. В исследовании проанализировано более 43,000 несчастных случаев во Флориде, Штате Пенсильвания и Северной
5
Каролине между 1985 и 1993. Чтобы гарантировать лучшие сравнения, несчастные случаи учитывались для 34 пар моделей автомобилей. Каждая пара включала модель, в которой АБС был доступен как стандартное оборудование впервые и такая же или подобная модель с самого близкого предыдущего года без АБС.
Данные использованные в исследовании были выбраны из полицейских сообщений о несчастных случаях и Национальной Транспортной Администрации Безопасности на Шоссе. Погрешность исследования - 5%. Ключевые показатели включают:
Полное число несчастных случаев понизилось на - 9 - 10 % для автомобилей с АБС.
• Число несчастных случаев на влажных, снежных и ледяных дорогах понизилось для автомобилей с АБС на 17 - 19 % по сравнению с аналогичными моделями без АБС.
• Число несчастных случаев на сухих дорогах понизилось для автомобилей с АБС на б - 8 % по сравнению с аналогичными моделями без АБС.
• Доля несчастных случаев, повлекших повреждения, понизилось для автомобилей с АБС на 10 - 13 % по сравнению с аналогичными моделями без АБС.
• Доля несчастных случаев, повлекших повреждения на влажных дорогах, понизилось на 24 - 28 % для автомобилей с АБС.
• Норма несчастных случаев со смертельным исходом - никакого существенного различия между автомобилями с АБС и автомобилями без АБС.
Эти данные показывают, что антблокировочные тормозные системы представляют собой хороший способ для избежания аварий на
б
дорогах. Тем не менее их необходимо усовершенствовать, так как антиблокировочные системы еще имеют важные недостатки, например:
• Тормозной путь не оптимален, особенно при дорожных условиях близких к нормальным.
• Не всегда обеспечивает достаточную боковую устойчивость, особенно при активных действиях водителя.
• Наличие нежелательного колебательного поведения колес при торможении при работе АБС.
Все эти задачи пока являются до конца не решенными.
В работе рассматривается пневматическая антиблокировочная тормозная система, которая часто устанавливается на автобусах.
Разработка АБС связана с решением ряда сложных механических проблем. Одна из них - описание колебательного поведения системы во время функционирования. Анализ процессов возбуждения таких колебаний несомненно полезен для совершенствования алгоритмов антиблокировочной системы автомобиля.
Настоящая диссертация посвящена возможности возникновения и анализу устойчивости колебательного поведения в тормозной системе с
АБС.
Глава 1
Антиблокировочная система автомобиля. Устройство. Принцип действия. Алгоритмы управления
1.1 Устройство и принцип действия тормозной системы с АБС
1.1.1 Устройство тормозной системы
Тормозная система служит для замедления движения автомобиля. Она превращает кинетическую энергию движения автомобиля в теплоту. Торможение осуществляется в результате воздействия тормозных колодок или дисков на колеса и замедления вращения последних вследствие этого. Мощная тормозная система не может остановить автомобиль, если сцепление колес с дорогой мало или отсутствует. В этом случае при полном нажатии на педаль тормоза, колеса остановятся, но будут проскальзывать по дороге и автомобиль будет двигаться. Обычно водители думают, что это ошибка тормозной системы, но на самом деле это ошибка водителя, который неправильно оценил условия сцепления и в результате неправильно маневрировал.
Обычная тормозная система автомобиля относительно проста. Когда водитель нажимает педаль, он оказывает воздействие на
7
8
устройство, называемое центральным тормозным цилиндром. Внутри центрального цилиндра помещается поршень, который создает давление в гидравлической или пневматической тормозной системе. На каждом колесе закреплен рабочной тормозной цилиндр. Повышение давления тормозной жидкости или газа в этом цилиндре приводит к увеличению тормозного момента в результате прижатия тормозных колодок к вращающимся с колесом барабану или диску. Тормоза преобразовывают кинетическую энергию колес в теплоту трения и колеса передают энергию дороге посредством трения, в результате движение автомобиля замедляется. Но эта не единственная сила, которая вызывает замедление автомобиля, есть еще сопротивление вращению колес, аэродинамическое сопротивление и сопротивление двигателя и трансмиссии. Сопротивление вращению колес не играет большой роли, но все равно помогает в процессе торможения, оно пропорционально скорости автомобиля. Аэродинамическое сопротивление важное только при высоких скоростях, так как оно пропорционально квадрату скорости автомобиля. Сопротивление двигателя очень часто является важным в процессе торможения, когда угловая скорость вращения вала двигателя высокая.
Все современные тормозные системы во много раз мощнее двигателя транспортного средства, так что, даже очень мощный автомобиль может быть остановлен тормозами. В автомобилях используется также стояночный тормоз, который работает независимо от регулярной тормозной системы. Обычно, стояночный тормоз создает момент только на задних колесах.
Существует много технических разработок, эффективно улучшающих функционирование и надежность тормозных систем. Тормозная система с усилителем теперь стандартна, и используется почти во всех пассажирских транспортных средствах. Эта система использует поставляемую двигателем энергию для увеличения усилия, создаваемого
9
ногой при нажатии педали. Во избежание возможности внезапного полного отказа тормоза, у некоторых современных автомобилей две параллельных тормозных системы, каждая из которых управляет парой колес, и, если одна система отказывает, другая может остановить машину.
Рис. 1.1: Барабанная тормрзная система
Сами тормоза сильно улучшились за эти годы. Несколько десятилетий назад, широко использовались тормозные барабаны, и они все еще используются на задних колесах многих автомобилей. Этот тип тормоза использует конструкцию, имеющую форму барабана, который вращается с колесом. Эта конструкция изображена на рис. 1.1 В барабане установлены стационарные колодки прижимающеся к внутренной поверхности обода колеса, когда водитель нажимает педаль тормоза. Тормозной барабан хорошо работает, но он имеет существенный недостаток - трудности отвода тепла. Отказ тормоза происходит, когда тормоз перегревается; энергия, расходуемая на торможение значительно уменьшается, и компоненты тормоза могут быть повреждены.
Существенное преимущество имеют дисковые тормоза, которые сегодня используются повсеместно на передних колесах (которые
- Київ+380960830922