Исследование работы системы управления курсовой устойчивостью автомобиля

1. Цель лабораторной работы

Целью лабораторной работы является закрепление теоретических знаний об устройстве и принципах работы системы управления курсовой устойчивостью автомобиля.

2. Задачи лабораторной работы

К задачам лабораторной работы относятся:

1. Изучение назначения, устройства и принципа работы системы управления курсовой устойчивостью автомобиля.

2. Исследование работы системы управления курсовой устойчивостью на этапе определения фактического угла увода автомобиля.

3. Исследование работы системы управления курсовой устойчивостью на этапе определения типа заноса автомобиля.

.

3. Краткие теоретические сведения

В штатных условиях движения траектория перемещения автомобиля по дорож­ному 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 рисунке 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. 1) или, более того, может начать вращаться вокруг вертикальной оси.

Рисунок 1 Зависимость траектории движения автомобиля от состояния полотна дорожного покрытия

Из рассмотрения траекторий, показанных на рисунке 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.

На рисунке 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 рисунке 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 F_S когда эластичная шина деформируется в боковом направлении, в результате чего вектор скорости V автомобиля отклоняется от плоскости вращения колеса.

Увеличение боковой силы F_S является главной причиной увеличения угла а. Отношение К_{у =} F_S /α называется коэффициентом сопротивления уводу.

Если угол а достигает значений 12...20°, то боковая сила F_S на сухом асфальте становится равной силе F_с сцепления шины колеса с дорогой (F_S = F_с) и увод колеса переходит в его боковое скольжение (юз).

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

Если при повороте передние колеса вращаются свободно (без бокового юза и без торможения), то F_В = 0 и λ= 0, а результирующая сила F_R = F_S0.

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 Р„ торможения колеса (без срабатывания тормозной системы), а боковая сила F_S в соответствии с векторной диаграммой (рис. 2, а) уменьшается.

Изменение направления скольжения (угол λ)при боковом юзе приводит к вра­щению результирующей силы F_R вокруг вертикальной оси поворота колеса, что вызывает перераспределение сил F_D, F_R, F_S 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 ~ 1), бо­ковой увод автомобиля превышает критическое значение и автомобиль становит­ся неуправляемым.

Суммарный момент М_Е вращения кузова вокруг вертикальной оси равен сумме моментов от каждого колеса в отдельности: М_Е = М, + М₂ + М₃ + М₄.

Управляя тяговыми силами F_D ведущих колес (F_D3 + F_D4) и тормозными силами F_В всех четырех колес (F_В1, F_В2, F_В3, F_В4), возможно добиться такого состояния дви­жения автомобиля на поворотах или на скользкой дороге, при котором М_Е << М_К. М_к – критическое значение суммарного момента М_Е, при котором углы бокового увода центров переднего и заднего мостов появляются не под воздействием боко­вого юза, а в результате эластичного прогиба шин всех четырех колес. В таком случае колеса не срываются в юз и автомобиль остается управляемым. Функции автоматического управления подтормаживанием и тяговой силой колес при повороте автомобиля на большой ско­рости или при движении по скользкой дороге выполняет система управления кур­совой устойчивостью (система VDC).

Рисунок 2 Силы, действующие на колеса автомобиля во время поворота

V – вектор скорости движения автомобиля; S – продольная ось автомобиля;

γ – угол поворота колеса относительно оси S; α – угол бокового увода колеса от фактического направления движения (от вектора V); β = (γ – α) – угол бокового увода автомобиля («угол рыскания»); F_S – боковая сила действующая на ось колеса; F_в – тормозная сила колеса при его скольжении по дороге; F_R – результирующая сила бокового увода колеса, равная векторной сумме тормозной (F_в) и боковой (F_S) сил. (F_R = F_S +. F_в); λ – угол между осью колеса и направлением его скольжения