Разработка методики обеспечения устойчивости компактных транспортных средств за счет выбора параметров взаимодействия рулевого управления и подвески тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат наук Сатер Гайс

• Сатер Гайс
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Сатер Гайс

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ТЕОРИИ ДВИЖЕНИЯ И МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ КОМПАКТНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ (КТС)

1.1. Анализ работ в области управляемости и устойчивости КТС

1.2. Анализ существующих методов испытаний динамики КТС

1.3. Общие выводы по Главе 1, постановка цели и задач исследования

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ КОМПАКТНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

2.1. Актуальность разработки компактных транспортных средств

2.2. Определение технических характеристик и ограничений компактных транспортных средств

2.3. Недостатки компактных транспортных средств

2.4. Классификация компактных транспортных средств

2.4.1.Внешний вид, механизмы наклона и приводы

2.4.2.Способы повышения устойчивости

2.4.3.Системы контроля крена

2.5. Оценка параметров устойчивости компактного транспортного средства при прямолинейном и криволинейном движении

2.4.2.КТС при движении по прямой траектории

2.4.3.КТС при криволинейном движении без крена

2.4.4.КТС при криволинейном движении с креном

2.6. Выводы по Главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ КОМПАКТНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

3.1. Определение параметров устойчивости КТС против опрокидывания на сверхмалых скоростях и на месте

3.2. Определение параметров устойчивости КТС при равномерном круговом

движении

3.1.1.Расчет вертикального и бокового смещений и крена кузова под действием боковых сил

3.1.2.Расчет критических скоростей скольжения и опрокидывания

3.1.3.Нахождение значения параметров центра масс и крена

3.3. Определение параметров устойчивости КТС при переходных процессах без активного крена с учетом взаимодействия рулевого управления и подвески.

3.3.1.Определение расчетных исходных данных КТС, необходимых для

обработки модели и подготовки экспериментально-расчетного

маневра переходных процессов

3.3.2.Одноколейная модель КТС

3.3.3.Двухколейная модель КТС для динамики переходных процессов

3.3.4.Пример использования имитационной модели

3.4. Определение параметров устойчивости КТС с активным креном при переходных процессах с учетом взаимодействия рулевого управления и подвески

3.4.1.Разработка динамической модели КТС с активным креном против действия боковой силы

3.4.2.Уравнения движения разработанной динамической модели компактного транспортного средства с системой активного крена

3.4.3.Стратегия контроля угла крена и угла поворота управляемых колес

3.4.4.Линеаризованная динамическая модель и выбор параметров для контроллеров актуаторов

3.4.5.Построение нелинейной имитационной модели на основе математической модели для моделирования криволинейного движения КТС

3.4.6.Пример использования имитационной модели

3.5. Выводы по Главе

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КТС И ЕЁ

ПРИМЕНЕНИЕ

4.1. Методика обеспечения устойчивости КТС за счет выбора параметров взаимодействия рулевого управления и подвески

4.2. Применение методики при моделировании

4.3. Применение методики при экспериментальных исследованиях

4.3.1.Подготовка к проведению эксперимента (объект испытаний и измерительное оборудование)

4.3.2. Испытания компактных транспортных средств согласно разработанной методике и сравнение с расчётом, проверка на адекватность

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Акты внедрения

Приложение Б. Технические характеристики объектов испытаний

Приложение В. Общие характеристики испытательного оборудования и датчиков

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Начать работу необходимо с определения, что такое Компактное Транспортное Средство.

В общем случае Компактное Транспортное Средство (КТС) — это малый городской транспорт с габаритами и весом, близкими к мотоциклетным, устойчивым равновесием на месте и при движении, для перевозки одного или двух человек. КТС, как правило, оборудуются кузовом аналогичным автомобильному.

В течение двадцатого века и в начале двадцать первого века было проведено большое количество исследований в области теории движения автомобильных транспортных средств (АТС), в то же время исследований в области движения КТС было проведено гораздо меньше.

Такие КТС в основном разрабатывались для решения проблем обычных транспортных средств. Быть компактным — значит иметь меньшие габариты чем у существующих автомобилей. КТС, проектируются максимум для двух человек, и их максимальная скорость обычно ниже, чем у автомобилей.

Такие КТС смогут повысить эффективность использования пассажирского пространства, уменьшить количество транспортных заторов на дорогах, проблемы с парковкой в больших городах благодаря их меньших размеров, более высокой маневренности, при этом уменьшить количество загрязнения воздуха, снизить энергопотребление, КТС, оборудованное кузовом, является более безопасным, чем мотоцикл.

При всех своих преимуществах, КТС имеют ряд существенных недостатков, мешающих им занять достойную нишу среди городских транспортных средств. Конструкция бескузовных КТС не так хороша для безопасности пассажиров и защиты от непогоды, что делает его пригодным для использования только в южных странах.

Предыдущие исследователи в основном рассматривали движение компактного транспортного средства как частный случай движения автомобиля и исследовали только отдельные аспекты, связанные с управляемостью и (или)

устойчивостью только одного типа КТС, который был изготовлен лично на этапе исследования. Таким образом, до сих пор в мире нет комплексного подхода к исследованиям безопасного движения с позиций устойчивости всех возможных типов КТС (наклоняемое, не наклоняемое, активный крен, пассивный крен).

В этой диссертации, изложены основы статической и динамической поперечной устойчивости компактных транспортных средств как одного из эксплуатационных свойств, необходимого при анализе и оценке качественных и количественных характеристик транспортного средства в процессе проектирования. Изучены основные параметры устойчивости КТС, и даются рекомендации по расчету показателей, влияющих на поперечную устойчивость КТС.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики обеспечения устойчивости компактных транспортных средств за счет выбора параметров взаимодействия рулевого управления и подвески»

Цель работы

Целью данной работы является разработка методики обеспечения устойчивости КТС за счет выбора параметров взаимодействия рулевого управления и подвески.

Задачи исследования

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

1. Изучить научные разработки в области теории контроля движения компактных транспортных средств;

2. Изучить критерии оценки устойчивости компактных транспортных средств;

3. Проанализировать конструкции и разработать классификацию современных компактных транспортных средств;

4. Создать математическую 2D модель, для предварительного прогнозирования устойчивости КТС на основе анализа различных типов подвесок;

5. Разработать имитационную математическую 3D модель КТС, позволяющую моделировать и имитировать различные испытания КТС, идентифицировать максимальное количество параметров, отражающих физическую суть происходящих процессов.

6. Провести исследования устойчивости КТС методом имитационного

моделирования;

7. Спланировать экспериментальное исследование и провести натурные испытания для анализа адекватности разработанных математических моделей;

8. Разработать методику обеспечения устойчивости КТС за счет выбора параметров взаимодействия рулевого управления и подвески при любых режимах движения с использованием компьютерного моделирования и экспериментальных исследований.

Объект исследования

Системы рулевого управления и подвески КТС, системы обеспечения и повышения устойчивости, системы автоматического управления креном КТС. Предмет исследования

- Метод проектирования КТС на основе полученных расчетно-экспериментальным способом характеристик элементов подвески и рулевого управления.

- Методики и экспериментальное оборудование для исследования характеристик КТС.

- Методика определения параметров взаимодействия подвески и рулевого управления КТС.

- Алгоритмы функционирования систем автоматического управления креном КТС.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов работы обеспечивалась применением специального измерительного оборудования, тщательным контролем условий проведения испытательных заездов, многократным повторением испытаний, использованием статистических методов анализа данных. Методы исследования

При решении задач диссертационного исследования были использованы методы математического анализа и методы программирования, для проведения имитационного моделирования движения КТС и для проведения динамического анализа объекта исследования.

Использовались экспериментальные методы для анализа адекватности математической модели на основе результатов дорожных испытаний КТС.

Расчетно-экспериментальное моделирование проводилось с помощью программных комплексов: Microsoft Excel 2010 x32 x64, Openmodelica Версия: 1.17.0 (64bit), MATLAB R2016b Версия: 9.1.0.441655 x64.

При проведении экспериментальных испытаний использовалось компактное мобильное высокоточное оборудование для измерения и сбора данных в виде измерительного комплекса, фирмы CORRSYS-DATRON, Германия, программа imc FAMOS 7.3 R3 x64, и портативный комплект регистрации параметров движения КТС модели DriftBox, фирмы Racelogic с приемником сигнала GPS. Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- КТС рассмотрены как отдельный класс транспортных средств и составлена их подробная классификация;

- Скорректированы формулы для расчета параметров устойчивости КТС на месте и на малых скоростях;

- Разработана комплексная математическая модель, позволяющая оценивать устойчивость КТС в различных режимах движения, включая неподвижное состояние.

- Рассмотрены параметры устойчивости КТС с различными вариантами подвесок;

- Исследовано влияние параметров рулевого управления и подвески на устойчивость КТС с активным креном и разработана имитационная модель криволинейного движения КТС при переходных процессах;

- Создана методика обеспечения устойчивости компактных транспортных средств за счет выбора параметров взаимодействия рулевого управления и подвески;

- Разработаны новые методы проведения дорожных испытаний на устойчивость КТС;

Теоретическая значимость

Результаты диссертационной работы могут использоваться при проектировании новых КТС и для повышения устойчивости уже имеющихся КТС.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы для совершенствования алгоритмов управления системами автоматического крена и представляют интерес для разработчиков подобных систем.

Практическая значимость работы

1. Получены зависимости изменения критических скоростей от конструктивных параметров компактного транспортного средства.

2. Разработана методика повышения и оценки устойчивости компактных транспортных средств.

3. Получены зависимости изменения устойчивости КТС от параметров взаимодействия подвески и рулевого управления.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автомобили» факультета «Факультет автомобильного транспорта (АТФ)», МАДИ и в учебном процессе кафедры «Оборудование и машиностроение» факультета «Инженерно-технический факультет», Тартуский университет, Сирия и внедрены на фирме ООО «ГРАНМОТО ИМПОРТ».

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика выбора параметров положения центра масс и крена для всех возможных вариантов крена КТС.

2. Математические модели 2D КТС.

3. Имитационная модель криволинейного движения КТС в переходных режимах.

4. Методика выбора параметров взаимодействия рулевого управления и подвески для КТС.

5. Методика проведения дорожных испытаний КТС на устойчивость.

Апробация работы.

Основные положения диссертации представлены, обсуждены и одобрены на:

- 77 международная научно-методическая и научно-исследовательская конференция МАДИ «28 января - 01 февраля 2019 года», (Компактные автомобили: вчера, сегодня, завтра);

- Второй научный конкурс по техническим направлениям среди иностранных студентов России «2019/2020 г.», (Разработка специальной подвески для компактных транспортных средств.)

- 78 международная научно-методическая и научно-исследовательская конференция МАДИ «27 - 31 января 2020 года», (Анализ кинематики подвесок компактных транспортных средств);

- Международная конференция «Интеллектуальные технологии в дорожно-транспортном комплексе», приуроченная к 90-летию университета «14 декабря 2020 г.», секция «автомобили с электронными системами помощи водителю и беспилотные автомобили», (Навигационная система с функцией помощи водителю ОТС)

- 79 международная научно-методическая и научно-исследовательская конференция МАДИ «25 - 30 января 2021 года», (Разработка методики синтеза рулевого управления и подвески КТС для повышения устойчивости);

- Международная конференция «наука и техника в дорожной отрасли» с участием молодых ученых «18 марта 2021 года», (Согласование работы подвески и рулевого управления компактного транспортного средства)

- 80 международная научно-методическая и научно-исследовательская конференция МАДИ «24 - 28 января 2022 года», (Разработка методики выбора параметров рулевого управления и подвески для компактных транспортных средств)

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в журнале, входящем в международную базу цитирований Scopus, две статьи в других изданиях и оформлен патент на полезную модель № 209153 U1.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка сокращений, условных обозначений, списка литературы и трех приложений. Работа изложена на 228 листах машинного текста, содержит 96 рисунков, 11 таблиц и 3 приложения. Список литературы содержит 114 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ТЕОРИИ ДВИЖЕНИЯ И МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ КОМПАКТНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ (КТС).

В этой главе приводится краткое изложение истории проектов, в рамках которых проводилась разработка компактных транспортных средств, а также приводится анализ методов их испытаний.

1.1. Анализ работ в области управляемости и устойчивости КТС.

С момента появления механизмов наклона для компактных транспортных средств, динамика наклонного движения и системы активного крена стала неотъемлемой частью их использования.

Что касается механизмов наклона, многие исследования были опубликованы в последние десятилетия.

Такими образом, в этом разделе был использован подход, который носит хронологический характер, для структурирования и описания различных проектов, в которых были задействованы работы по контролю над креном (Таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Хронология исследовательских проектов по КТС за последние три десятилетия

А. Завершенные проекты Б. текущие проекты

1. Проект «Honda Gyro» (1982) 2. Калифорнийский университет в Дэвисе (University of California Davis (UCDavis)) (1992-1998) 3. Делфтский технологический университет (TU Delft) (19972004) 4. Университет Миннесоты (University of Minnesota) (2003 - 2010) 5. Проект 'Clever', в Батском университете (Clever project, Bath University) (2005 - 2014) 6. Тайваньский национальный университет Цзяо Дун - (ТНУ Цзяо Дун) (National Chiao Tung University of Taiwan) (2008 -2010 г.) 7. Венский технологический университет (ВТУ) (TU Wien) (2011 г.) 8. Федеральный университет Санта-Катарины (Federal University of Santa Catarina) (2007-2016) 9. Нагойский университет, Япония (Nagoya University) (20122014) 1. Нантская национальная горная школа (Ecole des Mines de Nantes) (2011-2022) 2. Токийский университет (University of Tokyo) (2015-2022) 3. Университет Ватерлоо (University of Waterloo) (2014 - 2022) 4. Проект «Resolve project» (20162022) 5. Университет Пизыи (Динамический анализ) (University of Pisa) (2016-2022) 6. Университет Уорвик (анализ управления) (University of Warwick) (2018-2022)

Цель состоит в том, чтобы предоставить общий обзор проектов по контролю над креном, рассмотрен и исследован вклад каждого проекта в развитие функции управления КТС: модели, динамический анализ, режимы управления и методы управления.

Следует отметить, что в этом обзоре использованы различные величины и символы. Углы крена и/или наклона, обозначаемые ф, ф или в, являются одними и теми же физическими величинами и соответствуют углу, который средняя плоскость шасси образует с вертикалью. Угол наклона, также часто обозначаемый как в, представляет собой угол между наклоняемым шасси и базой автомобиля. Для упрощенных моделей, в которых база транспортного средства всегда выровнена с горизонтальной плоскостью, угол крена (т.е. наклон) совпадает с углом наклона.

Результаты исследований по контролю за КТС представлены на рисунке 1.1.

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022

Калифорнийский университет в Дэвисе ВТ У

Университет Миннесоты Университет Ватерлоо

Делфтский тех униве ¡нологический рситет Проект 'Clever', в Батском университете Проект «Resolve project»

Тайвань ский национа льный универс итет Цзяо Дун Университет Пизыи

Нагойски й универси тет, Япония Университет Уорвик

Токийский университет

Федеральный университет Санта-Катарины

1 Нантская национальная горная школа

Рисунок 1.1 - Хронология исследовательских проектов по контролю за КТС

за последние три десятилетия.

Ниже представлен анализ вклада каждого проекта в развитие функции контроля КТС:

1) Проект «Honda Gyro» (1982)

В 1965 г. г-н Mr G Wallis, подал патент под названием «Усовершенствования в педальных или механических трехколесных велосипедах или относящиеся к ним

транспортных средствах» [107], содержащий наклоняемый трехколесный велосипед. Это привело к созданию «BSA Aerial 3», наклоняющегося трехколесного велосипеда, который не имел коммерческого успеха. Права на дизайн были проданы Honda, и в 1982 году был выпущен «Honda Gyro», который, возможно, был первым коммерчески успешным наклоняемым КТС (Рисунок 1.2) [65].

Honda Gyro имел одно переднее колесо, которое наклонялось вместе с кабиной, в то время как два задних колеса были прикреплены к не наклоняющемуся модулю двигателя. Эта конструкция получила признание в качестве небольшого транспортного средства доставки для городских перевозок на внутреннем рынке Японии и по состоянию на 2013 год все еще продавалась [50].

Рисунок 1.2 - Трехколесный скутер «Honda Gyro» для доставки с навесом.

К сожалению, на малых скоростях и на месте Honda Gyro оказался очень неустойчив, как обычный двухколесный скутер.

2) Калифорнийский университет в Дэвисе (University of California Davis (UCDavis)) (1992-1998)

Исследование по управлению узкоколейными транспортными средствами было инициировано Карноппом в начале 90-х годов в калифорнийском университете в Дэвисе [52, 53, 49]. Учитывая размер и инерцию транспортного средства, они утверждают, что активное управление наклоном необходимо для обеспечения ощущения от вождения автомобиля, то есть прямого рулевого управления посредством активного управления.

Они были первыми, кто определил и изучил как систему непосредственного управления наклоном (DTC - direct tilt control), так и систему управления наклоном управляемых колес (STC - steering tilt control) [49].

Для этого они используют одноколейную модель без учета деформации шины и углов скольжения, а также модель перевернутого маятника для динамики крена транспортного средства (Рисунок 1.3.).

Модель Карноппа выражает скорость рыскания транспортного средства ф и поперечную местную скорость U как функцию продольной скорости V и угла поворота передней оси 6. Наконец, это приводит к простому уравнению для динамики крена, которое может быть далее линеаризовано, что приводит к уравнению (1.1.1). где т. и I соответственно обозначают массу и инерцию рыскания транспортного средства.

(/ + mh2)0 — mgh0 = -mh(V + фи)]

= _т/г(£м + £м + ^5) j (1ЛЛ)

Угол поворота переднего колеса S рассматривается как первый вход, который может быть связан с водителем или активно управляться (например, для STC).

Второй вход — это крутящий момент Mt, непосредственно приложенный к наклону степени свободы подрессоренной массы, и это позволяет осуществлять прямое управление наклоном (например, для DTC).

Как правило, продольной динамикой КТС пренебрегают, а продольную скорость транспортного средства V рассматривают как параметр, а не состояние.

На начальном этапе желаемый угол наклона 0d выражается через баланс центробежных и гравитационных сил при прохождении поворотов в установившемся режиме с постоянной скоростью. На основе аппроксимации угла наклона 0 и угла поворота передних колес 6 получается уравнение (1.1.2) для желаемого угла наклона.

= (1.12)

Рисунок 1.3 - Модель Карноппа, основанная на одноколейной модели, дополненной перевернутым маятником [90]

Для обеспечения стабилизации крена транспортного средства, сначала предлагается простой закон управления рулевым управлением, при котором угол поворота переднего колеса действует пропорционально погрешности изменения угла наклона.

Sf = -Kd(0d - 0) (1.1.3)

С помощью этого простого закона пропорционального управления Карнопп и Фанг (Karnopp and Fang) продемонстрировали, что в начале маневра необходимо контрруление «противодействие рулевому управлению» для обеспечения стабилизации компактного транспортного средства [53].

Позже Карнопп и Хиббард (Karnopp and Hibbard) заинтересовались режимом системы непосредственного управления наклоном (DTC) для стабилизации крена транспортного средства.

Учитывая входной крутящий момент на степени свободы наклона подпружиненной массы, они создали и разработали контроллер, который отслеживает вышеупомянутый желаемый угол наклона.

На основе этого контроллера они сравнивают поведение наклоняемых и не наклоняемых ТС (с наклоном и без наклона), используя понятие воспринимаемого ускорения арег, определяемого уравнением (1.1.4) (Рисунок 1.4.).

арег — alat cos(0) + h0 — Q sin(0) (114)

Используя более проработанную сложную модель, включающую динамику подвески и шин [48], они доказали, что наклон транспортного средства с помощью

DTC позволяет полностью исключить воспринимаемое поперечное ускорение и снизить на 30% передачу нагрузки на колеса по сравнению с транспортным средством без наклона в режиме устойчивого состояния при прохождении поворотов.

Работы «8р'з work»: Продолжая предыдущую работу. Со и Карнопп начали исследовать комбинацию DTC и STC на общем диапазоне скоростей [90]. Предложили комбинировать оба режима в зависимости от скорости движения автомобиля.

Во-первых, они сравнили оба режима, реализованные с помощью контроллеров, и доказали, что во время переходных маневров у транспортного средства, оборудованного системой STC, приводит к более низкому воспринимаемому ускорению, чем у транспортного средства, оборудованного системой DTC (Рисунок 1.4.).

Рисунок 1.4 - Воспринимаемое ускорение и мгновенная ось крена с для двух режимов управления [90]: а) система непосредственного управления наклоном (direct tilt control - DTC); б) система управления наклоном управляемых

колес (steering tilt control - STC)

Для двух сравниваемых режимов управления, рассматривается логика проводного управления режима STC: водитель через угол поворота рулевого колеса (Ssw) указывает, насколько он хочет, чтобы транспортное средство управлялось, и затем соответствующим образом регулируется передний угол поворота (8f).

DTC STC

а) б)

Кроме того, они делают вывод о нестабильности STC на очень низких скоростях, основываясь на здравом смысле, но не проводят моделирования для подтверждения их утверждения.

Затем они предлагают объединить два режима, чтобы преодолеть их соответствующее ограничение. Однако они не смогли успешно комбинировать STC и DTC в непрерывном режиме из-за конфликта между двумя методологиями управления: так что контрруление, включенное в STC, приводит к ошибочному вычислению желаемого угла наклона для DTC [90]. Таким образом, вместо того чтобы смешивать два режима, они рассматривали возможность переключения с одного на другой в зависимости от заданной скорости продвижения (Рисунок 1.5).

Их основная цель - сделать переключение плавным для водителя. Однако моделирование показывает, что различная природа контроллера вызывает внезапный резкий скачок бокового ускорения в момент переключения с DTC на STC: это происходит потому, что при использовании режима STC в динамической системе возникает эффект деривации, и транспортное средство не находится в конфигурации устойчивого состояния, когда происходит процесс переключения. Для решения этой проблемы, вводится плавно изменяющийся коэффициент усиления управления для системы STC, что приводит к плавным откликам во время переключения с DTC на STC. Этот алгоритм управления переключением распространяется на аварийные маневры, для которых STC переключается обратно на DTC в случае потери тяги [1, 91, 90].

б в ю

УеЫсЬ 5ре«1, и (тЛес)

10 15 20 Тиле (вес)

Рисунок 1.5 - Переключение подхода SDTC со стратегией гистерезисного

типа [90].

Снелл работы (Snell's work): Основываясь на предыдущих работах, Снелл и Карнопп предлагают другой подход к управлению, который заключается в минимизации или устранении воспринимаемого ускорения в произвольно выбранной точке С на средней плоскости наклонного шасси [89]. Этот метод эквивалентен принуждению транспортного средства к вращению вокруг оси, проходящей через ту же точку С (Рисунок 1.6.). Во-первых, Снелл анализирует поведение системы DTC, регулирующей воспринимаемое ускорение, а не величину погрешности изменения угла наклона от желаемого угла наклона, с помощью испытательного маневра, состоящего из поворота с ускорением 0,5g. Несмотря на снижение воспринимаемого ускорения, оказалось, что эта усовершенствованная доработанная система (DTC) требует больших моментов наклона, что может привести к опрокидыванию транспортного средства.

Рисунок 1.6 - Иллюстрация различных точек на наклонном шасси КТС [89].

Рассматривая комбинированный подход SDTC, Snells преодолевает несовпадение двух режимов, вычисляя желаемое поперечное ускорение ай на основе потребности водителя в рулевом управлении , а не угла поворота передних колес 8^ .Это позволяет обоим режимам работать одновременно для достижения общей цели. В этой работе динамика рыскания опущена, и система управления спроектирована на основе динамики крена, для которой входным сигналом STC теперь является поперечное ускорение на базе транспортного средства, , а не передний угол поворота 8^ (Рисунок 1.7.).Предлагаемая

tilting upper body Т

комбинированная стратегия использует предварительные фильтры как для рулевого управления, так и для входа в наклон, позволяя ему идти в ногу с мгновенным действие рулевым движением. (Рисунок 1.7.).

При выборе (С), совпадающего с центром масс шасси, реакции

ускорения очень похожи на характеристики базового режима STC; база транспортного средства перемещается за пределы кривой за счет противодействия рулевому управлению, и воспринимаемое ускорение остается минимальным.

С другой стороны, когда (С) находится в точке поворота (Р), SDTC ведет себя как исходный ^ТС), а крутящий момент опрокидывания превышает максимальное значение опрокидывания. Снелл предложил расположить виртуальную ось, где водитель ощущает движение (то есть на уровне головы), что приводит к управлению (SDTC), очень близкому к режиму ^ТС).

РаайЬаск Сбтреп5а1ог

Рисунок 1.7 - Блок-схема контроллера Снеллиуса [89].

Однако разница между законом управления Снеллиуса и классическим ^ТС) заключается в том, что крутящий момент опрокидывания действует постоянно и может использоваться для стабилизации динамики крена в случае экстремальных маневров в любое время. Во время исследования Карноппа прототип не был разработан.

3) Делфтский технологический университет (TU Delft) (1997-2004)

В конце 90-х годов специальная технология управления опрокидыванием (the special tilting control technology - DVC), обозначающая динамическое управление транспортным средством, стала предметом академического исследования, проведенного профессором Паувелуссеном (Pauwelussen) из Делфтского технического университета (TU Delft). Во-первых, он разработал линеаризованную математическую модель (Рисунок 1.8.), которую он использовал для динамического моделирования (автомобиля Carver) и оценки его характеристик на поворотах [69].

На основе этой модели проводится анализ чувствительности динамических параметров, таких как жесткость шины или положение центра масс, для определения их влияния на крутящий момент Т^ и угол поворота рулевого колеса S (таблица 1.2).

1. Ami (power-)steering-

2. Tilting valve

3. Tilting cylinder

Рисунок 1.8 - Модель автомобиля Carver, разработанная Пауэлуссеном

(Pauwelussen) [73].

Таблица 1.2 Carver. [73].

- Анализ чувствительности динамических параметров автомобиля

В дальнейшем устойчивость Карвера исследуется с помощью модального анализа [74]. В корневом местоположении показаны два стабильных режима для скоростей от 10 м / с до 50 м / с: режим рыскания, характеризующийся движением «рыбий хвост», и режим рулевого управления, определяемый высокочастотными колебаниями рулевого управления. Анализ чувствительности при скорости 120 км / ч выполняется для угла наклона, положение центра тяжести (ц.о.) показывает менее стабильное поведение, когда ось наклона наклонена вперед, а центр тяжести (ц.о.) смещается назад. Кроме того, для уменьшения крутящего момента при переходных маневрах реализована система антиуправления (автоматическое противодействие поворачиваемости). Наконец, Паувелуссен утверждает, что, поскольку КТС не является ни легковым автомобилем, ни мотоциклом, результаты нельзя сравнивать с существующими результатами испытаний и что необходимо установить новые критерии, включая обратную связь транспортного средства с водителем.

Поскольку это исследование было основано на существующем транспортном средстве с заданной морфологией и собственной технологией контроля наклона, мало что можно извлечь и сделать выводы о контроле наклона КТС в общем случае.

4) Университет Миннесоты (University of Minnesota) (2003 - 2010)

В начале 2000-х профессор Раджамани (R. Rajamani) из Университета Миннесоты начал изучать динамику КТС и ее контроль [39]. Вместе со своей командой он улучшил модель Карноппа и разработал новые методы, основанные на DTC, STC и их комбинации, обозначенной как SDTC [35]. Раджамани и его исследователи рассмотрели различные определения эталонного угла наклона вместе со сложными методами нелинейного управления [16, 76]. Кроме того, они провели экспериментальные испытания как беспилотного самолета уменьшенных размеров, так и прототипа реального размера [35, 34].

5) Проект 'Clever', в Батском университете (Clever project, Bath University) (2005 - 2014)

КТС также были предметом исследований в Европе в конце 2000-х и начале 2010-х годов.

Разработанный в рамках проекта, финансируемого «EU-funded project», умное транспортное средство «The Clever vehicle» показано на рисунке 1.3.8, как компактное транспортное средство с низким уровнем выбросов для городского транспорта «Compact Low Emission Vehicle for urban transport» представляло собой наклоняемое трехколесное КТС, разработанный в Университете Бата под руководством профессора Эджа (Prof. Edge) и доктора Дарлинга (Dr. Darling). Он был построен Дрю «Drew» и Баркером «Barker» во время их докторских диссертаций [95, 36].

Прототип состоит из не откидывающейся задней кабины и откидной кабины с передним рулевым колесом. Гидравлическая система обеспечивает прямое управление наклоном, когда переднее рулевое колесо либо пассивно, либо активно, благодаря актуатору, который регулирует угол поворота в реальном времени.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сатер Гайс, 2022 год

Использование

= nfCf 61 Ve2+l*2+if^des + П/Я/(е3 + Pxdes) (3.4.52)

Ffy = nfCf (s--¿-j

Fry = nrCr (- y-^±)+nrXrcpx = —nrCr ^z-^-Waes + ПгЯг(бз + (3.4.53)

И предполагая при условии, что угол поворота рулевого управления колесами (5) является контролируемой управляющей входной величиной, то представление пространства состояний имеет следующее вид, после линеаризации относительно (фх = 0), мы получаем уравнение пространства состояний который может быть представлено следующим образом:

х = Ах + В18 + B2^des + B3q)Xdes + B4Mtilt (3.4.52)

Где переменная состояния

X =

е1 ¿1

е2 ё2 ез

; в,=

0

VxCf

т

0

£fCf ; в2 =

4

0

hCf

о

-V-!Lg УхС/1/ | Фхсг1г Ix Vx mV mV 0

cfЩ Crll IZV IZV 0

hC^lf hCrlr G

;B3 =

mh2g <pxXf фхА.

■ +

+ ■

m m

0

If^f If^-r

4 4 0

mgh hXf hX.

Вл =

0 0 0 1

Z

Ylr(Jwheel_tyx_r ^wheel_rot_r)^rot ^<Px ~^r(Jwheel_tyz_r ~^wheel_rot_r)^rot

Фх=1 +

mh

и где матрица (A) имеет вид

А =

0 1 0 0

0 <PxCf ! фхСг VxCf | фхСг VxCflf | ФхСг^г h

mV mV m m mV mV Ix

0 0 0 1

0 Cf{f ( Crlr izv hv чь Cf4

h lz 1ZV 1ZV

0 0 0 0

0 hCf ^ hCr ~Zy Zy hCf hCr hCflf hCr{r | C<px ixv Ix

Ix Ix ixv

0

mh2g фхХт фхЛ-

■ +

+ ■

0

I/A/ lrXr

4 h 0

mgh hXj hXr ^X Ix Ix

0 0 0

lz 1

0

Модель водителя, которая действует как контроллер состояния с обратной связью для стабилизации погрешность отклик бокового движения (ех) и погрешность отклик рыскания состояний (е2).

Система контроля наклона крена также должна обеспечивать систематический подход к минимизации требуемого максимального наклоняющего крутящего момента крена (Mtut).

Угол поворота определяется водителем, который обычно следует за осевой линией полосы движения. С целью моделирования транспортного средства водитель моделируется как контроллер с обратной связью по состоянию, управляющий боковой ошибкой и ошибкой рысканья.

Таким образом, сигнал команда рулевого управления генерируется следующим (частичным) законом с обратной связью состояния с коэффициентами усиления обратной связи (feedback gains Kg), рассчитанными с помощью LQR или метода размещения полюсов (pole placement technique).

S = —Kg x1;

Где, = [e1 et e2 e2]T;

гЛ

ALQRJZ —^4X4 _

0 1

0 ФхС/ + mV фхСг mV ФхС/ т

0 0

0 C/l/ + IZV 1ZV h

(11) л(12) л(13) л(14)

1(21) ^(22) ^(23) Л(24)

1(31) ^(32) ^(33) ^(34)

1(41) ^(42) ^(43) ^(44)J

0 +

0

фхСг

m

ФхС/lf mV

+

0

фхСг£г mV 1

J Vx

BLQR_2 -Bl4xl

(11) (21)

Q2 ^4X4 _

^(31) B( 4l)J

10 0 0 10 1

0 0 0

0

VxCf

m 0

iJcL

L lz . 0 0 0

1

R2 = 1;

(3.4.53)

delta = ^4r(^LQR_2'BLQR_2'Q2'F2);

Рассмотрим динамику наклона и предположим, что члены перекрестной связи маленькие, тогда с помощью применения метода (Linear Quadratic Regulator-LQR), сможем контролировать динамическую систему наклона крена:

^LQR_1 —^2X2 —

*2 —^LQR_1X2

Где, Х2 =

^(55) ^(56)

/4(65) ^(66)J

LQR_l^tilt;

I 1у

BLQR_1 -^42X1

С целью сокращения

(51) (61).

0

ЛЯ/

1х

Г0]

1 ;

(3.4.54, а)

Где, д = >о; Дт >0

Таким образом, получен следующий контроллер LQR:

Мшг = ~^LQR х2; ^

Где, х2 = [е3 ё3]т;

1 о

(3.4.54, б)

0 1

(3.4.54, в)

^2x2 _ = 1;

В качестве интуитивной проверки модели можно отметить следующие пункты:

1. Если бы не было наклона, то ускорение наклона крена (фх) было бы равно (1), и тогда боковые уравнения были бы точно такими же, как обычные стандартные уравнения для боковой динамики, которые можно встретить и найти в литературных источниках.

2. Гироскопические параметры и термины интуитивно понятны и легко объяснимы:

а) Если транспортное средство поворачивает влево так, что в результате, скорость рысканья (фг >0) является положительным значением, тогда гироскопические условия и термины (члены) вызывают и ведут к наклону транспортного средства вправо и заставляют транспортное средство наклоняться вправо (отрицательная скорость наклона крена фх <0 ).

б) Если транспортное средство наклоняется влево (положительная скорость наклона фх >0), то гироскопические условия заставляют транспортное средство поворачивать влево (положительная скорость рысканья фг >0).

3.4.5. Построение нелинейной имитационной модели на основе математической модели для моделирования криволинейного движения КТС

На основании вышеизложенного из математических моделей, предлагается и разрабатывается принципиальная имитационная модель для расчета параметров криволинейного движения КТС, и было выполняться реализованная в Ма1ЬаЬ Simulink.

Математическая модель КТС, эквивалентного исследуемому, представляет собой одно-массовую модель с тремя степенями свободы: боковое положение (перемещение) (У), а также угол наклона крена ) и угол рысканья ).

Система уравнений, формирующая и образующая схему для расчета динамики КТС, была изображена в пункте (3.4.4. Линеаризованная динамическая модель и выбор параметров для контроллеров актуаторов).

На рисунке (3.41) изображена блок-схема MatLab Simulink для расчета:

1) углы, скорости и ускорения центра масс компактного транспортного средства:

• а - общее ускорение, [m/s2];

• ах - продольное ускорение центра масс КТС, [m/s2];

• ау - боковое ускорение центра масс КТС (в инерциальной системе отсчета центра тяжести Y), [m/s2];

• az - вертикальное ускорение центра масс КТС (в инерциальной системе отсчета центра тяжести Z), [m/s2];

• 4>х - угол крена КТС, [град];

• ^xdes - желаемый угол крена в устойчивом состоянии, [град];

• Фх - угловая скорость крена, [°/s];

• Wz - угол рыскания КТС, [град];

• Wz - угловая скорость рыскания, [°/s].

2) углов увода передних шин (колёс) (af ) или задних шин (колёс) (аг );

3) распределения боковых реакций передних шин (колёс) (F^y ) и задних шин (колёс) (Fry );

4) погрешность ориентации центра масс:

• е\~У ~ У des - погрешность ориентации бокового расстояния от желаемой опорной дороги, [м];

• е2 =Фг - погрешность ориентации угла рысканья от желаемого угла рысканья, [град];

• е3 = ФХ ~Фхаез - погрешность ориентации угла крена от желаемого

угла наклона крена, [град].

5) выходной крутящий момент наклона крена, обеспечиваемый от привода (от актуатора двигателя) наклона крена (Mtilt );

На рисунке (3.42.а) показан блок расчета реакции боковых сил на передние шины из уравнения (4.52). На рисунке (3.42.б) показан блок расчета реакции боковых сил на задние шины из уравнения (4.53).

Тексты программ используемых «S-функций» представлены в приложении 1.

Рисунок 3.41 - Блок-схема Ма1ЬаЬ Simulink для расчета математических моделей

lateral forces on front tires e1p

lateral forces on rear tires e1p

Œ>

CD—i>

e2p

©-í>

Psip_des

а б

Рисунок 3.42 - Блок расчета боковых сил: а) блок расчета реакции боковых сил на передние шины; б) блок расчета реакции боковых сил на задние шины.

3.4.6. Пример использования имитационной модели.

Для подтверждения использования динамических упрощений и линеаризации при разработке нашей нелинейной имитационной модели, проверка на адекватность математической модели проводилась путем сравнения результатов имитационного моделирования с экспериментальными данными испытания [12].

Входные данные для нашей модели будут такими же, как и в модели Piyabongkam D. и др. [76].

Результаты моделирования будут сравниваться с экспериментальными результатами, которые D. Piyabongkam получил в ходе эксперимента, который проводил во время своего исследования.

Предполагалось, что транспортное средство движется с постоянной скоростью V = 30 м/с. Контроллер (RHC) используется для того, чтобы следовать по прямой дороге, которая плавно переходит в кривую радиусом 500 м «поворот Яп = 500м», на пятой секунде при моделировании. Это представлено соответствующими изменениями в фгаез и Фхаез.

Желаемое действие контроллера предварительного просмотра "наклон перед поворотом" также можно наблюдать по кривой отклонения по сигналу погрешности отклика угла крена е3 на рис. (3.43).

Рисунок 3.43 - Результат моделирования входа КТС с постоянной скоростью 30 м/с в поворот радиусом 500 м: а - желаемый угол наклона б

- желаемая скорость рыскания (Фгае5); в - погрешность отклика между желаемой и действительной боковой траекторией (е±), м; г - погрешность отклика ориентации угла рысканья от желаемого угла рысканья (е2), град.; д -погрешность отклика ориентации угла крена от желаемого угла крена (е3), град.; е - крутящий момент, обеспечиваемый двигателем наклона (М^), Н.м.

Эти трансформации имеют очень важное значение для проектирования компактного транспортного средства, осуществляющего контроль крена.

С помощью этого трансформационного преобразования водитель будет контролировать и управлять боковым движением транспортного средства, если значение координаты погрешности ошибки стремится к нулю ( е1,е2,е3 ^ 0)

По сравнению с результатами, проверенными в статье [76], было проверено, что простой контроллер Пропорционально-дифференцирующий (ПД) регулятор (PD controller) или Линейно-квадратичный регулятор (Linear Quadratic Regulator- LQR) может обеспечить устойчивость динамики крена транспортного средства для достижения любого желаемого угла наклона.

В этом пункте основное внимание уделяется разработке динамической модели для компактных транспортных средств. Модель имела четыре степени свободы, включая поперечную динамику и динамику наклона. Было учтено влияние гироскопических сил из-за вращающихся колес и влияние следа передних колес, но вторичные эффекты сцепления были проигнорированы, чтобы модель оставалась понятной и подходящей для проектирования системы управления.

Разработанную математическую модель создания активной системы управления креном для КТС можно использовать при разработке и оценке активных систем контроля наклона и при определении требований к соответствующей системе подвески и для снижения сложности регулятора, который будет обеспечивать хорошие характеристики.

Для удобства при разработке модели были сделаны два предположения.

Во-первых, крутящий момент Mtilt при опрокидывании был достаточно мал, чтобы рассматривать вертикальные реакции каждого переднего колеса одинаковыми.

Второе приближение (сделанное в разделе о вычислении гироскопических моментов) заключалось в том, что управление передними колесами не способствует их наклону.

Изучение уравнений модели позволило понять:

1. как наличие положительного значения следа приводит к самостабилизации компактных транспортных средств;

2. почему угол наклона транспортного средства не влияет на угол поворота, необходимый для прохождения поворота;

3. как гироскопические моменты влияют на переходные маневры наклона / поворота и почему они менее важны, чем силы, возникающие из-за следа;

4. желаемый угол наклона для любого указанного маневра на повороте.

3.5. Выводы по Главе 3

Разработанные математические модели впервые позволили в комплексе просчитать параметры устойчивости КТС, начиная с неподвижного состояния, при движении прямо, при равномерном криволинейном движении и во время переходных процессов.

Стало возможным, используя разработанные математические модели последовательно, разбить процесс движения КТС на составляющие и более точно и качественно просчитать каждый из этапов движения.

Стало возможным определить критические скорости скольжения и опрокидывания для КТС с различными параметрами подвески и рулевого управления.

Разработанные математические модели позволили определить параметры взаимодействия различных типов рулевого управления с различными типами подвески, с позиций повышения устойчивости как при прямолинейном движении, так и при движении по криволинейным траекториям.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КТС И

ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ

4.1. Методика обеспечения устойчивости КТС за счет выбора параметров взаимодействия рулевого управления и подвески.

Постановка задачи выбора параметров, повышающих устойчивость

Устойчивость компактного транспортного средства зависит от параметров его отдельных элементов и общих свойств компактного транспортного средства.

Окончательный выбор варианта и оформление "Технического задания " возможны только после проведения полного цикла испытаний опытных образцов, а также на стадии доводочных испытаний компактного транспортного средства.

Для сокращения цикла проведения испытаний опытных прототипов и для обеспечения повышения устойчивости с самого начала проектирования предложено управлять определенным, небольшим набором параметров.

Математические модели разделены на три этапа, в рамках которых параметры компактных транспортных средств разбиты на группы и определены в порядке приоритета и по степени их влияния на критерии устойчивости.

Это сделано для того, чтобы определить параметры и оценить их влияние на устойчивость. Параметры компактного транспортного средства были выбраны на основе известных публикаций и рациональности технико-экономических затрат относительно существующих компактных транспортных средств.

Методика выбора параметров взаимодействия рулевого управления и подвески для повышения устойчивости компактного транспортного средства состоит из следующих этапов:

1. Определить требование к проекту КТС (Исходное (имеющееся) КТС или ОТС, Потребительские требования к КТС, Требования изготовителя к КТС, Требования государства к КТС);

2. Определить задаваемые и неизменные исходные данные КТС (Полная масса, Габариты, Вместимость, Утах, Силовой агрегат, и т.д.);

3. Определить изменяемые (вариативные) исходные данные (Рулевое управление; Подвеска и Кузов) и корректировать их параметры, в том числе такие

как: положение центра масс, положение центра крена; тип рулевого управления и степень влияния на подвеску.

4. Создать имитационные модели компактных транспортных средств и включить в них проверки на условие повышения устойчивости в соответствии с требованиями. В данном случае, проверка состоит из трех этапов:

• Первый этап. Исследуется устойчивость предлагаемого проекта или исходной модели КТС на месте и на сверхмалых скоростях.

Ограничения по устойчивости рассчитываются, используя 2D математическую модель КТС.

Критерии устойчивости для данного этапа считаются достигнутыми, когда КТС устойчив при критическом угле косогора ^Кр0п > 30° ~ 42°.

На основании этого вносятся изменения в желательные параметры КТС, позволяющие повысить свойства устойчивости на косогоре, такие как: ширина колеи (В); критическая высота центра масс (Ндкр).

Проверочные исследования устойчивости проводятся для сравнения изменения критериев устойчивости при критическом угле косогора за счет внесенных изменений в параметры.

• Второй этап. Исследуется устойчивость движения компактного транспортного средства при равномерном (Усош^ Rconst) круговом движении.

Ограничения по устойчивости рассчитываются, используя двумерные (2D) математические модели компактных транспортных средств с пятью различными вариантами крена их подвески при равномерном круговом движении.

Рассмотрены предельные значения критериев устойчивости для всех пяти вариантов и по ним подобраны высоты центра масс, при которых вначале возникает скольжение КТС и только потом опрокидывание (^Кр,оп < Кф,ск).

На основании полученных результатов, т.е. после нахождения значения параметров центра масс (^ск<оп) и крена (Икр), выбираются типы подвески и рулевого управления позволяющие сохранять достаточный уровень поперечной устойчивости.

• Третий этап. Проверочное валидационное исследование применяется для гарантии обеспечения устойчивости выбранной модели крена компактного

транспортного средства при движении в переходных режимах, также его можно использовать для сравнения устойчивости модернизированной модели КТС с исходным вариантом.

Ограничения по устойчивости рассчитываются после выбора типа подвески и значения параметров центра масс и крена, используя трёхмерные (3D) математические модели КТС с имитацией рулевого воздействия для расчета параметров маневра при испытании переходных процессов «рывок руля».

Критерии устойчивости были выбраны согласно наиболее информационному и простому методу для определения устойчивости КТС по аналогии для категорий М1 из ГОСТа 31507-2012 - рывок руля. Кроме того, обязательно подобрать высоты центра масс (^5ск<оп) и крена ^ и ккрг ), над каждой осью, при которых вначале возникает скольжение КТС и только потом опрокидывание (^Кр,оп < Кф,ск).

На основании полученных результатов, проводятся проверочные исследования на устойчивость для обеспечения достижения требуемых критериев поперечной устойчивости, позволяющих поддерживать достаточный уровень безопасности при движении во время переходных процессов.

За счет разделения параметров компактных транспортных средств по степени влияния на устойчивость и по критериям оценки, и корректировать небольшое количество этих параметров, позволило решить задачу повышения устойчивости путем последовательных итераций, с четким и аналитически понятным результатом и удалось создать простую методику повышения этого свойства.

Параметры компактных транспортных средств, влияющие на показатели устойчивости, выбирались на основании степени влияния, а также возможности внесения изменений на этапе эскизного проектирования или конечной доводки систем подвески и рулевого управления компактного транспортного средства перед выпуском в серию.

Такой подход позволил повысить свойства устойчивости и спроектировать устойчивые и безопасные КТС, оснащенные кузовом. Общий вид методики представлен в виде схемы на рисунке 4.1.

Исходное (имеющееся) Потребительские

КТС или ОТС требования к КТС

Требования изготовителя к КТС

Требования государства к КТС

Положение: центра масс и центра крена

устойчивость КТС на месте и на сверхмалых скоростях (Математическая модель КТС без учета подвески)

Расчетные ограничения по устойчивости КТС на месте и на (Утт)

Ширина колеи (В); Критический угол наклона косогора (^кр0п); Положение критическая высота ЦТ (Ьдкр).

2этап

Устойчивость движения КТС при равномерном криволинейном движении (2Б Математическая модель КТС в

Расчетные ограничения по устойчивости КТС по кругу (V = const)

Жесткость и тип подвески; Диапазон высота ЦТ (hgJ ск < 0п); Диапазон высота крена к^р

3 этап

Устойчивость движения КТС при переходных

режимах (3Б Математическая

модель КТС с имитацией рулевого воздействия)

Расчетные ограничения по устойчивости КТС при испытании переходных процессов «рывок руля»

Жесткость и тип подвески; Диапазон высота ЦТ (hgJ ск < 0п); Высота крена

(^кр f и ^кр г) над каждой осью.

Устойчивое КТС

Рисунок 4.1 - Общая схема методики выбора параметров взаимодействия рулевого управления и подвески для КТС

4.2. Применение методики при моделировании.

Пример создания устойчивого КТС с помощью моделирования (по предложенной методике)

• Первый этап.

Исследуется устойчивость предлагаемого проекта или исходной модели компактного транспортного средства на месте и на сверхмалых скоростях.

Ограничения по устойчивости рассчитываются, используя 2D математическую модель КТС. Модель рассмотрена в пункте 3.1.

На основе этой математической модели можно определить критическую высоту центра масс (hgkp), при которой КТС будет находиться в устойчивом положении, исходя из его ширины (В) и коэффициента поперечного сцепления колеса с опорной поверхностью (д) и критического угла наклона косогора (^кроп). В то же самое время, компактные транспортные средства должны обеспечивать такой уровень устойчивости, как и обычные транспортные средства, при парковке на дороге с косогором. Согласно [10], критический угол наклона косогора при начале опрокидывания оп для обычных ТС равен от 30 до 42 градусов.

Для КТС с использованием жесткой подвески или критического угла крена (фхкр оп), например, рассмотрели два варианта на месте:

- для четырехколесного квадроцикла (например: Yamaha Kodiak 450) с шириной колеи: В=0,8 [м] из уравнении (3.1, а):

1 = 1= f =0,4 , [м]

и при ^=0,8; вкроп= 30°, то из уравнения (3.1.7), критическая высота центра тяжести (hgkp) не может быть более

h = i _ в/2 _ 0.8/2 _ о 693 г-,

9кР Сап(Дкроп) Сап(Дкроп) tan(30) ' LMJ'

для трехколесного скутера формы обратного трайка (например: Yamaha Tricity 125) с шириной колеи: В=0,4 [м] и с колесной базой L=1,310 м из уравнении (3.1, б) и (3.1, г):

1= l *sinr = l *sin (tan-1 (j^)) = 0,655 * sin (tan-1 (j*^)) = 0,099, м

при ¡и=0,8; £кроп = 30°, то уравнения (3.1.7), критическая высота центра тяжести (Ндкр) не может быть более

^Зкр tan(^Kp0n) tan( 30) [м]

0,099

Если в результате расчетов математическая модель показывает, что 3-хколесный или 4-хколесный КТС имеет неустойчивое равновесие на месте и на малых скоростях из-за особенностей подвески, строится график зависимости жесткости подвески от скорости КТС и от угла поворота рулевого управления (рис. 4.2). Данный график показывает необходимое взаимодействие жесткости подвести с рулевым управлением КТС в зависимости от скорости для обеспечения минимальной поперечной устойчивости на малых скоростях и на месте для 3-х и 4-х колесных КТС имеющих изначально неустойчивое равновесие на месте (например, Yamaha Tricity).

Рисунок 4.2 - Зависимость боковой жесткости подвески Yamaha Tricity от

скорости и угла поворота руля.

• Второй этап.

Исследуется устойчивость движения проектируемого компактного транспортного средства при езде в устойчивом равномерном криволинейном режиме движения.

Ограничения по устойчивости рассчитываются, используя двумерные (2D) математические модели компактных транспортных средств с пятью различными вариантами крена их подвески при равномерном круговом движении.

Рассмотрены предельные значения устойчивости для всех пяти вариантов подвески и по ним подбираются высоты центра масс, при которых вначале возникает скольжение КТС и только потом опрокидывание (^Кр,оп < Кф,ск).

Ранее для КТС с шириной колеи 0,6 [м], в пункте 3.1.3 был приведен общий пример моделирования данные показаны в таблице (3.1). При этом, можно сказать, что форма трехколесного КТС в виде дельта (delta) симметрична трёхколёсному КТС в виде обратного трайка (Tadpole). Основной разницей, как мы отметили выше, является то, что для трехколесного транспортного средства (форма «delta» или «дельта») I рассчитывается по следующей формуле: 1= If *sinr , где I/ =

2 •L

— . (см. таблицу 3.1). После расчетов получили критические значения высоты ЦМ,

т.е. не более определенного значения для каждого варианта крена, при котором скольжение будет происходить раньше опрокидывания, они показаны в таблице (3.2).

На основании полученных результатов, т.е. после нахождения значения параметров центра масс (^5ск<оп) и крена (hkp), выбирается тип подвески (крена) и вносятся изменения в параметры КТС позволяющие сохранять достаточный уровень его поперечной устойчивости.

В каждом из 5-ти вариантов крена (типа подвески) четко определяется тип рулевого управления.

1) Для первого варианта подходит любой рулевой привод.

2) Для второго может использоваться инерционный рулевой привод типа скейтборда, когда поворотом колес управляет водитель наклоном корпуса.

3) Для пассивного крена можно использовать классический рулевой привод: если спереди одно колесо - мотоциклетный, если два - автомобильный с рулевой трапецией.

4) Для активного крена нужно использовать строгую зависимость крена подвески от угла поворота руля (управляемого, управляемых колес) (см. формулу 3.2.21).

5) Для варианта подвески со смещением, нужен специальный рулевой привод.

Например, на рисунке 4.3. представлен результат расчета критических скоростей скольжения и опрокидывания при криволинейном движении с постоянной скоростью четырехколесного квадроцикла Yamaha Kodiak 450 согласно 2D модели с вариантом крена № 3 (с пассивным креном подрессоренной массы в сторону действия боковой силы), который подтвердил, что для такого квадроцикла можно подобрать параметры высоты центра масс и высоты крена, которые позволят сохранить достаточный уровень боковой устойчивости при криволинейном движении.

Расчеты показали, что для данного варианта рассматриваются предельные безопасные значения высоты центра масс со значением менее 0,593 [м], (см. рис 4.3) при котором сначала возникает скольжение КТС и только потом опрокидывание. Такой подход позволяет проектировать устойчивые и безопасные КТС, оснащенные кузовом.

Yamaha Kodiak 450

Рисунок 4.3 - результат расчета критических скоростей скольжения и опрокидывания в устойчивом состоянии режима движения для четырехколесного

квадроцикла (Yamaha Kodiak 450).

Изначальная заводская высота ЦМ квадроцикла (Yamaha Kodiak 450) составляла 0.637, м и она не обеспечивала заданную устойчивость данного КТС.

Ниже в таблице 4.1 приведены расчётные данные прохождения круга радиуса 20 м.

Таблица 4.1 - Данные прохождения круга радиуса 20 м

Приведены данные VKP прохождения круга радиуса 20 м

Параметры КТС Модификация КТС

Номер модификации, № №1 №2 №3

Высота ЦТ, м 0.637 0.568 0.541

Исрск - расчётная критическая скорость по скольжению, км/ч 42.19 42.19 42.19

Кфоп - расчётная критическая скорость по боковому опрокидыванию, км/ч 40.52 43.21 44.37

Из таблицы 4.1 видно, что при снижении ЦМ квадроцикла (модификации № 2 и 3), критическая скорость по скольжению становится ниже, чем критическая скорость по боковому опрокидыванию

Третий этап

В случае выбора типа крена, варианты: 1, 2 или 3 (из второго этапа) дальше идет проверка на устойчивость КТС в переходном процессе через имитационную модель, указанную в пункте 3.3.

Для рассмотренного четырехколесного квадроцикла (Yamaha Kodiak 450) с подвеской по варианту №3 получим параметры критическая скорость (VKp ) для трёх варрантов высоты центра масс в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Данные при испытании переходных процессов «рывок руля»

Приведены данные 1*Кр при рывке руля на угол поворота до 10 градусов

Параметры КТС Модификация КТС

Номер модификации, № №1 №2 №3

Высота ЦТ, м 0.637 0.568 0.541

УКрСК - расчётная критическая скорость по скольжению, км/ч 27.96 27.96 27.96

Ксроп - расчётная критическая скорость по боковому опрокидыванию, км/ч 24.81 26.11 27.27

Из таблицы 4.2 видно, что при снижении ЦМ квадроцикла по модификации №3, критическая скорость по скольжению становится ниже, чем критическая скорость по боковому опрокидыванию.

В случае выбора варианта 4 или 5 (из второго этапа) - проверка должна

проходить через имитационную модель, указанную в пункте 3.4. Пример

использования такой имитационной модели рассмотрен в пункте 3.4.6.

По результатам математического моделирования корректируются положения центра масс и высоты крена КТС для обеспечения приоритета начала скольжения перед опрокидыванием в переходных процессах.

4.3. Применение методики при экспериментальных исследованиях.

Для применения методики были разработаны 3 типа дорожных испытаний КТС по каждому этапу, которые максимально информативно позволяют подобрать параметры взаимодействия подвески и рулевого управления и которые достаточно просто промоделировать.

4.3.1. Подготовка к проведению эксперимента (объект испытаний и измерительное оборудование)

1) Объект испытаний.

В качестве объекта испытаний выступал:

а) трехколесный скутер «Yamaha Tricity 125» 2015 года выпуска, оборудованный бензиновым двигателем и автоматической трансмиссией;

б) квадроцикл «Yamaha Kodiak 450».

Основные заводские характеристики трехколесного скутера представлены, а основные технические характеристики квадроциклы представлены в приложении Б.

2) Измерительное оборудование

Задачами конкретного исследования определяется список перечня регистрируемых параметров. В то же время на компактных транспортных средствах возможность установки регистрирующего оборудования существенно ограничена из-за небольших габаритных размеров КТС и его небольшой массы, и поэтому регистрирующей аппаратуры не должны оказывать существенного влияния на характеристики и параметры испытываемого объекта.

Предварительный анализ особенностей поведения компактных транспортных средств на разных режимах движения, позволил нам сформулировать перечень параметров, регистрация которых необходима, во время проведения экспериментальных исследований. Таким образом, в данной работе были получены данные следующих параметров КТС:

1) координаты положения на местности;

2) пройденный путь;

3) траектория движения;

4) продольная и боковая скорость;

5) угловая скорость КТС (крен, тангаж и рыскание);

6) угловая скорость поворота руля;

7) продольное и боковое ускорение.

Для получения и записи перечисленных динамических выше параметров движения во время проведения полигонных испытаний применялся и была установлена следующая измерительная и регистрирующая аппаратура на КТС:

1) компактная мобильная система измерения и сбора данных как измерительной комплекса, фирмы CORRSYS-DATRON, Германия.

2) портативный комплект регистрации параметров движения ТС c приёмником GPS сигнала модели DriftBox, фирмы Racelogic.

Внешний вид закрепления изображена и объектов испытаний трехколесный скутер (Yamaha Tricity 125) с установленным комплектом аппаратуры представлен на рис.4.4.

Рисунок 4.4 - Внешний вид и место крепления комплекс Corrsys Datron, навигационный датчик SEN KREISEL-TANS, а также прибора DriftBox на трехколесном скутере Yamaha Tricity 125.

Внешний вид закрепления изображена и объектов испытаний квадроциклы (Yamaha Kodiak 450) с установленным комплектом аппаратуры представлен на рис.4.5.

Рисунок 4.5 - Внешний вид и место крепления комплекс Corrsys Datron, навигационный датчик SEN KREISEL-TANS, а также прибора DriftBox на

квадроцикле (Yamaha Kodiak 450).

Измерительный комплекс Corrsys Datron, состоящий из следующих приборов и датчиков:

1) Tri-Axial Navigational Sensor (SEN KREISEL - TANS-3215003MS 2510-PT) (1 шт.) - датчик, измеряющий продольные ускорения и угловые скорости относительно трех декартовых координатных осей (рис. 4.6).

При этом, датчик был установлен на трехколесном скутере «Yamaha Tricity 125» в центре руля, а на квадроцикле «Yamaha Kodiak 450» на раме. Положение центра масс ТС было рассчитано экспериментально на стенде.

2) CDS-GPS/ГЛОНАСС антенна;

3) датчики перемещений: D8.3A, D8.3A1;

4) блок распределения питания Small 12 V Power Distributor Box фирмы CORRSYSDATRON, Германия.

Размещение измерительной и регистрирующей аппаратуры на трехколесном скутере показано на рисунке 4.7.

Рисунок 4.6 - Датчик ускорений SEN KREISEL - TANS

СРв СЬОХАЭЗ антенна Распределитель питания 12В

зля мобильных

Рисунок 4.7 - Размещение измерительной и регистрирующей аппаратуры (Corrsys Datron) на трехколесном скутере

Общие характеристики испытательного оборудования и датчиков, представлены в приложении В.

3) Компактная мобильная система измерения и сбора данных

Всё записывающее оборудование было размещено в специальном кофре с универсальным креплением, позволяющим крепить данный кофр на любое КТС (см. Рисунок 4.7), и содержит:

- CDS-GPS/ГЛОНАСС который служит для записи регистрируемых параметров.

- Датчики перемещения переднего и заднего колеса и навигационный датчик SEN-KREISEL-TANS подключаются к CDS-GPS/ГЛОНАСС через специальный преобразователь аналоговых сигналов в цифровые с помощью CANшины.

- Панель управления, через которую осуществляется управление, определение параметров и оперативное отображение данных. Системные параметры также могут задаваться через подключенный персональный компьютер с установленным программным обеспечением CORRSYS- DATRON CeCalWin Pro [11].

- Аккумуляторная NIMeHb как дополнительная батарея 12 В, 8,6 Ач, установлена внутри корпуса для обеспечения питания электропитание всей системы и датчиков.

- Блок распределения питания Small 12V Power Distributor Box обеспечивает необходимое напряжение электропитания для системы CDS-GPS/ГЛОНАСС. Блок был расположен в кофре и подключён к аккумуляторной батарее кабелем с контактными зажимами типа "крокодил". При этом, блок распределения питания имеет две электрические цепи, защищённые плавкими предохранителями на 8 А. Каждая электрическая цепь имеет две автомобильные розетки и две пары гнёзд штекерного типа для подключения потребителей. Одна из этих цепей имеет выключатель для автономного отключения электропитания от аккумуляторной батареи. Обе электрические цепи защищены от неправильного подключения к аккумуляторной батарее.

Общие технические характеристики блока распределения питания представлены в приложении В.

Данные от датчиков сохранялись на флэш-памяти Compact Flash емкостью 8 Гб в формате файлов с расширением adf. С помощью программного обеспечения файлы с расширением adf переводились в текстовый формат с расширением txt и обрабатывались в дальнейшем средствами Microsoft Office Excel (Рисунок 4.8).

Рисунок 4.8 - Перевод файлов с расширением adf в текстовый формат

программой CeCalWin Pro

В систему CDS-GPS/ГЛОНАСС поступают и регистрируются следующие сигналы:

1. время (t [s]);

2. пройденный путь (s [m]);

3. скорость (v [km/h]);

4. общее ускорение (a [m/s2]);

5. продольное ускорение (ax = AccelAl [m/s2]);

6. боковое ускорение (ay = AccelA2 [m/s2]);

7. вертикальное ускорение (az = AccelA3 [m/s2]);

8. угловая скорость крена (фх = GyroA6 [°/s]);

9. угловая скорость тангажа (ву = GyroA5 [°/s]);

10. угловая скорость рыскания (Ф2 = GyroA4 [°/s])

11. долготные координаты положения на местности (X = longitude [°]);

12. широтные координаты положения на местности (Y = = latitude [°]);

13. высотные координаты положения на местности (Z = : altitude [m]);

14. траектория движения (Track [°]);

Для того чтобы система CDS-GPS/ГЛОНАСС произвела правильный расчёт на основании поступающих электрических сигналов необходимо ввести в память системы значения соответствующих коэффициентов (Рисунок 4.9):

Рисунок 4.9 - Настройка системы CDS-GPS/ГЛОНАСС с помощью программы

CeCalWin Pro

4.3.2. Испытания компактных транспортных средств согласно разработанной методике и сравнение с расчётом, проверка на адекватность

Дорожные испытания проводились на территории полигона Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) в Черной Грязи.

1) Первый этап - определение минимальной устойчивой скорости прямолинейного движения КТС.

Конструктивные особенности каждой конкретной модели компактных транспортных средств характеризуют испытания по определению минимальной устойчивой скорости без учета воздействия водителя.

Вместе с тем, интегральная устойчивость всей системы водитель - КТС, в нашем случае КТС — это трехколесный скутер «Yamaha Tricity 125», определяется еще и легкостью, и удобством коррекции при движении на минимальных

скоростях. С целью определения этого параметра и определения влияния механизма наклона на этот параметр была предложена следующая методика.

Методика испытаний

Для определения минимальной прямолинейной устойчивой скорости, движение осуществляется по прямой на горизонтальной дороге длинной 10 м, с минимальной скоростью по коридору шириной 0,5 м.

Перед въездом в упомянутый узкий коридор, водитель должен сбросить газ до минимального уровня и во время прохождения коридора попробовать стабилизировать компактное транспортное средство. При этом если водитель КТС не сможет удержать КТС в коридоре и потеряет равновесие, то водитель увеличивает скорость.

Для нивелирования влияния возможного ветра на КТС, движение выполняется в двух противоположных направлениях.

Скорость, при которой водитель с помощью поворота руля вправо-влево (а не касаясь дороги двумя ногами или одной) удерживает компактное транспортное средство в узком коридоре считается минимальной устойчивой скоростью.

Заезды повторяются до момента определения минимальной устойчивой скорости.

Что касается нашего испытуемого объекта «Yamaha Tricity 125», то согласно методике предыдущих предложенных экспериментов были проведены испытания, и записывающие указанные ранее параметры движения, соответствующие состоянию КТС, так что в них использовано трехколесного скутера как с тремя основными модификациями:

1) Модификация №1 — это исходная модель компактного транспортного средства соответствующая, по всем параметрам и характеристикам, моделируемому оригинальному компактному транспортному средству. На этой заводской модификации, была все разблокировано, то подвеска и механизм наклона свободны;

2) Модификация №2 — на этой модификации, была механизм наклона подвески заблокирован рессорой;

3) Модификация №3 — на этой модификации, была механизм наклона подвески заблокирован рессорой и подвеска заблокирована стабилизатором поперечной устойчивости.