Система управления курсовой устойчивочтью авто

Содержание

1. Предварительные сведения...............................................................................2
2. Концепция и вариационные параметры системы VDC..................................5
3. Функциональная блок-схема системы VDC....................................................8
4. Техническая реализация системы VDC.........................................................11
1. Основные компоненты..............................................................................11
2. Датчики системы VDC..............................................................................12
3. Гидросистема..............................................................................................13
4. Электронный блок управления.................................................................14
5. Результаты экспериментальных исследований.............................................15
1. Испытания автомобиля с системой VDC при резком изменении направления движения..............................................................................15
2. Торможение при движении автомобиля по гладкому льду...................16
6. Надежность системы VDC. Поиск неисправностей.....................................17

Список литературы................................................................................................19

1. Предварительные  сведения

Управление движением автомобиля на извилистой дороге с уклонами и подъемами, например на горном серпантине, является исключительно трудной и опасной работой для среднестатистического водителя. задача управления еще более осложняется при изменении погодных условий, при дожде, снегопаде и особенно на обледенелом шоссе. Движение по горным дорогам в таких случаях запрещается.

Однако и на высококлассных равнинных автомагистралях бывают достаточно крутые повороты и гололед, что при практически неограниченной скорости движения часто приводит к дорожно-транспортным происшествиям (ДТП).

Причиной всех подобных аварий является практически неконтролируемое падение сцепления колесных шин автомобиля с дорожным покрытием, которое (сцепление) еще более ослабевает при появлении продольного и бокового скольжения, т.е. неуправляемого юза колес.

При движении юзом автомобиль плохо поддается управлению и вывести его из такого состояния на большой скорости может не каждый водитель. Вина за случившееся в таком случае ДТП всегда возлагается на водителя. Так, по статистическим данным американской дорожной полиции, которые мало расходятся с данными ГИБДД, около 95% всех ДТП, имеющих место на равнинных скоростных дорогах во время дождя, пурги, гололеда, происходят по вине водителей, в результате совершенных ими ошибок в управлении.

Ряд американских, немецких и японских исследователей не согласны с такой трактовкой причин ДТП. Так Kappler [4] и Brown [5] провели более тщательную обработку полицейской информации о ДТП и указали, что только в 19% всех случаев виноваты неопытность, невнимательность или беспечность водителя; 31% ДТП приходится на "тупость" (несовершенство) автомобиля, когда даже мастеровитый водитель не в состоянии справиться с автомобилем и предотвратить аварию; оставшиеся 50% ДТП имели место из-за резкого, неожиданного для водителя изменения дорожной ситуации (например, масляное пятно или лёд на дорожном покрытии), когда водитель просто не успевал среагировать.

По данным Rompe и др. [6], которые исследовали действия водителей при резком изменении дорожной ситуации ещё до совершения ими аварии, только в 50% случаев водители пытались предотвратить ДТП. Edwards и др. [7] уточняют, что действия водителей по предотвращению столкновений имеют место в 52%, а по предотвращению съезда с автомагистрали за ограждение или по предотвращению опрокидывания автомобиля в 64% случаев.

Отсюда ясно, что почти всегда в половине состоявшихся ДТП виноваты не беспечность или невнимательность водителя, а его природная инерционность восприятия, приводящая к запаздыванию реакции при необходимости выполнения мгновенного действия в современных условиях движения.

Forster [8] указывает на то, что водитель не обладает способностью мгновенно воспринимать неожиданно появляющееся скольжение между колёсами и дорогой и тем более понятия не имеет, что такое боковая устойчивость автомобиля и как её в таком случае реализовать. Таким образом, если предел нормального устойчивого сцепления колёс с дорогой нарушен, то возникший на повороте боковой увод автомобиля юзом застанет водителя врасплох. Отсюда Forster делает вывод, что человек, как инерционное звено в системе "автомобиль-водитель-дорога", должен быть освобождён от необходимости выполнения мгновенных (быстрее 0,1 с) действий и за него такие действия должна выполнять бортовая электронная автоматика, подчинённая обычному человеческому восприятию и реальной ситуации движения.

Среди водителей высокого класса, профессиональных водителей-испытателей и автогонщиков хорошо известно, что безаварийное управление автомобилем на большой скорости и на скользкой дороге возможно, если умело (своевременно и быстро) воздействовать на рулевое управление, педаль тормоза и педаль газа. Это позволяет удерживать динамический момент разворота автомобиля вокруг вертикальной оси в равновесии с инерциальным моментом бокового увода и тем самым обеспечивать устойчивое курсовое направление движения автомобиля боковым юзом.

Однако требовать такого умения вождения от среднестатистического водителя нельзя и рациональнее переложить задачу управления в критической ситуации движения на бортовую аппаратуру автоматического управления.

Исследованиями Fuchs [9] показано, что электронная автоматика вновь разрабатываемых моделей автомобилей, которые будут обязательно оснащаться системой курсовой устойчивости, должна отвечать следующим требованиям:

• при нарушении штатных (обычных) условий движения, когда сцепление колёсных шин автомобиля с дорогой приближается к своему физическому пределу, автомобиль не должен вести себя непредсказуемо, динамика его движения не должна изменяться резко, не должны иметь место заносы, резкие развороты, съезды с дороги или опрокидывание;
• даже на скользких или обледенелых дорогах отклонения от заданного водителем направления движения должны оставаться минимальными (в пределах обеспечения безопасности);
• степень загруженности автомобиля в пределах предписанной нормы не должна оказывать влияния на устойчивость его движения;
• боковой ветер, неубранное от незначительных песчаных или снежных наносов состояние автомагистрали не должны сильно влиять на движение автомобиля;
• параметры и характеристики автомобиля, ответственные за безопасность движения, должны оставаться в оптимальных нормах для субъективного восприятия водителем.

Чтобы выполнить перечисленные требования, обеспечивающие устойчивость движения автомобиля, был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований. В первую очередь пересмотру подверглись возможности уже серийно выпускаемых системы антиблокировки тормозов (ABS) и системы регулирования крутящего момента двигателя (ASR). Дополнительно к ним была разработана система управления активной подвеской (ABR), позволяющая регулировать дорожный просвет.

Помимо систем ABS и ASR в систему управления динамикой движения автомобиля немецкими инженерами Нееs и др. было предложено включить систему управления активной подвеской (ACR) и систему контроля рулевого управления (APS). Так четырьмя ранее разработанными системами (ABS, ASR, ACR, APS) был образован единый комплекс автоматического управления курсовой устойчивостью движения автомобиля в чрезвычайных ситуациях. Этот комплекс получил название «система VDC» (от нем. «Vehicle Dynamics Control»).

VDC — это система активной  безопасности автомобиля, которая  постоянно контролирует действия  водителя и в чрезвычайных  ситуациях, например при резких  поворотах на скользкой дороге, автоматически включается в процесс  управления и предотвращает возможность  возникновения боковых уводов (заносов) автомобиля. При этом система VDC адаптирует крутящий тяговый момент двигателя (посредством системы ASR) и тормозные усилия на колесах (посредством системы ABS) под заданное рулем (посредством, системы APS) направление движения. Система активной подвески (ACR) удерживает автомобиль от бокового наклонения.

Для реализации такого способа автоматического управления курсовой устойчивостью в компонентный состав системы VDC включается гироскопическое устройство, которое является датчиком сигнала отклонения направления движения от продольной оси автомобиля. Гироскоп — это своего рода вестибулярный аппарат системы VDC, реагирующий на малейшие флуктуации направления движения.

Однако следует заметить, что система VDC не является системой беспилотного управления, а лишь дополняет действия водителя, оставляя за ним ответственность за выбор направления движения на дороге, не вмешиваясь в его управляющие манипуляции до тех пор, пока движение автомобиля протекает штатно (без юза колес и без заноса автомобиля). С 1995 года система VDC вышла из стадии экспериментальных исследований и стала устанавливаться на эксклюзивных легковых автомобилях.

2. Концепция и вариационные параметры системы VDC

В штатных условиях движения траектория перемещения автомобиля подорожному полотну задается управляющими манипуляциями водителя. Эти манипуляции, с помощью соответствующих датчиков, преобразуются в электрические сигналы угла поворота рулевого колеса, крутящего момента двигателя (по углу поворота оси дроссельной заслонки) и давления жидкости в тормозной системе.

Однако этих сигналов для автоматической стабилизации устойчивости движения в критических ситуациях недостаточно и дополнительно требуется информация о таких непрерывно изменяющихся величинах, как угол бокового увода передних колес (α), угол бокового сноса автомобиля (β), боковое скольжение (S) колес относительно дорожного покрытия и его направление (угол γ), коэффициент (µ) сцепления колес с дорогой. Все эти величины являются входными вариационными параметрами системы VDC и значительно влияют на траекторию движения автомобиля, как только под колесами появляется юз.

На рис. 2.1 показано, какую траекторию будет описывать автомобиль, заходящий на скорости 80 км/час в крутой поворот при одном и том же неизменном положении руля, на постоянном газе без торможения, но при различных состояниях дорожного покрытия. Кривая «А» соответствует траектории поворота автомобиля с радиусом 40 м на сухом асфальте, когда боковое скольжение колес относительно дорожного покрытия не имеет места (µ>0,95). Фактическое направление движения соответствует направлению, выбранному водителем посредством соответствующего поворота рулевого колеса. Кривая «В» отображает траекторию движения автомобиля при повороте на мокрой дороге сразу после дождя, когда асфальтное покрытие особенно скользкое (µ<0,65). Появляющееся боковое скольжение передних колес приводит к боковому сносу автомобиля от заданного рулем направления движения, и радиус поворота зависит не только от положения руля, но и от силы бокового увода. На зимней дороге при гололеде (µ <0,15) боковой снос автомобиля на повороте может стать настолько большим, что потеряется контроль над управлением и автомобиль независимо от действий водителя перейдет в перемещение по автодороге боковым юзом (кривая «С» на рис. 2.1) или, более того, может начать вращаться вокруг вертикальной оси.

Из рассмотрения траекторий, показанных на рис. 2.1, очевидно, что при повороте автомобиля на скользкой дороге угол бокового увода (сноса) автомобиля должен быть ограничен значением, при котором коэффициент сцепления µ колес с дорогой не становится меньше критического для данных состояний эластичности протектора колесных шин и дорожного покрытия. Одним из способов повышения коэффициента сцепления µ является применение в зимнее время более жесткой шипованной колесной резины.

Рис. 2.1. Зависимость траектории движения автомобиля от состояния полотна дорожного покрытия.

На рис. 2.2, а приведена векторная диаграмма сил, приложенных к переднему колесу во время движения автомобиля на повороте, которая отображает физическую картину потери устойчивости при появлении юза под колесами.

На рис. 2.2, б показаны точки приложения векторных сил и момента разворота вокруг вертикальной оси, а также линейные координаты а, b, с, d этих точек относительно центра масс в системе координат х, у, z.

Угол α бокового увода колеса возникает под воздействием боковой силы Fs, когда эластичная шина деформируется в боковом направлении, в результате чего вектор скорости V автомобиля отклоняется от плоскости вращения колеса [2].

Увеличение боковой силы Fs является главной причиной увеличения угла α. Отношение Fs/α называется коэффициентом сопротивления уводу.

Ку = F</α (Н/град). Если угол α достигает значений 12-20°, то боковая сила Fs на сухом асфальте становится равной силе F1 сцепления шины колеса с дорогой (Fs= Fr) и увод колеса переходит в его боковое скольжение (юз).

При воздействии на колесо продольной тяговой силы Fl или тормозной силы Fв коэффициент сопротивления уводу (Ку) снижается. Если колесо наклоняется по вертикали, в сторону действия боковой силы, то угол увода колеса увеличивается, при обратном направлении силы Fs угол α уменьшается.

Если при повороте передние колеса вращаются свободно (без бокового юза и без торможения), то Fb = 0 и λ = 0, а результирующая сила Fr = Fs0.

Когда под передними колесами появляется юз, угол λ, определяющий направление скольжения, возрастает и, в зависимости от изменения коэффициента скольжения S в пределах 0 < S < 1, меняет свою величину от 0° до 90°. При этом за счет юза начинает увеличиваться сила Fb торможения колеса (без срабатывания тормозной системы), а боковая сила Fs в соответствии с векторной диаграммой (рис. 2.2, a) уменьшается.

Изменение направления скольжения (угол λ) при боковом юзе приводит к вращению результирующей силы Fr вокруг вертикальной оси поворота колеса, что вызывает перераспределение сил Fl, Fb, Fs и образование момента М вращения кузова автомобиля относительно центра масс под воздействием скольжения данного колеса. Ясно, что при боковом скольжении S, близком к единице (S=l), боковой увод автомобиля превышает критическое значение и автомобиль становится неуправляемым.