Прогнозирование характеристик подвижности спецавтомобиля, оснащенного системами активной безопасности

Автомобиль, предназначенный для перевозки ценных грузов, (спецавтомобиль) является объектом, к которому предъявляются особые требования по безопасности. Как известно, технический уровень и уровень безопасности спецавтомобиля определяются его защищенностью и высокой подвижностью [1]. Защищенность спецавтомобиля обеспечивается бронированием, необходимым для безопасности в случае нападения, как правило, с огнестрельным оружием. Подвижность, необходимая для безопасности в случае блокирования передвижения или преследования спецавтомобиля, определяется высоким уровнем быстроходности, приемистости, управляемости и устойчивости, опорной и профильной проходимости, т. е. системами автомобиля — силовой установкой, трансмиссией, ходовой системой, системами рулевого и тормозного управления, в том числе системами активной безопасности. Системы активной безопасности устанавливаются на спецавтомобиль с целью:

1) обеспечения минимального тормозного пути, управляемости и устойчивости при торможении (антиблокировочные системы (АБС));

2) обеспечения минимального времени разгона и повышения проходимости (противобуксовочные системы (ПБС));

3) обеспечения курсовой и траекторией устойчивости, а также предотвращения опрокидывания при выполнении маневров (системы динамической стабилизации (СДС)).

Здесь и далее противобуксовочная система причисляется к системам активной безопасности, так как определяет безопасность спецавтомобиля. Системы активной безопасности представляют собой автоматические системы управления, которые в качестве исполнительных устройств используют устройства подачи топлива в двигатель, устройства тормозного управления, силовой цепи, а также (в перспективе) рулевого управления. Естественно, что использование такого рода систем, которые вне зависимости от квалификации водителя обеспечивают высокие показатели подвижности транспортного средства, на спецавтомобиле является целесообразным.

Однако, как правило, при создании спецавтомобиля в качестве базового шасси с целью последующего бронирования используют серийные автомобили. В результате бронирования изменяются геометрические и массовые характеристики, влияющие на подвижность автомобиля [1]. В этой связи на этапе проектирования спецавтомобиля актуальным является определение возможности использования систем активной безопасности базового шасси, а также прогнозирование характеристик подвижности спецавтомобиля для случая установки систем активной безопасности в производстве.

На этапе разработки наиболее эффективным является прогнозирование характеристик подвижности спецавтомобиля, оснащенного системой активной безопасности, с использованием имитационного математического моделирования на ЭВМ. Проведение вычислительных экспериментов на ранних стадиях создания спецавтомобиля дает возможность исследовать эффективность различных систем активной безопасности на совокупности дорожных условий, при выполнении разнообразных маневров, в том числе соответствующих отраслевым стандартизованным испытаниям. Это позволит разработчикам определиться не только с требованиями к системам активной безопасности спецавтомобиля, но сократить сроки доводочных испытаний и, тем самым, снизить стоимость разработки.

Целью работы является повышение подвижности спецавтомобиля за счет использования систем активной безопасности.

Для достижения цели в работе решены следующие основные задачи:

• разработан метод прогнозирования подвижности спецавтомобиля, оснащенного системами активной безопасности;

• разработана математическая модель движения автомобиля, оснащенного системами активной безопасности;

• выполнено сравнение результатов имитационного моделирования и натурных экспериментов;

• проведены теоретические исследования эффективности систем активной безопасности автомобиля.

В первой главе диссертации приведены анализ и особенности требований к спецавтомобилю по мерам безопасности, выполнен анализ современных систем активной безопасности, а также анализ 4 математических моделей движения автомобиля. Предложен метод прогнозирования характеристик подвижности спецавтомобиля. Выполненные в первой главе исследования позволили сформулировать задачи, решению которых посвящены остальные главы диссертации.

Во второй главе описаны особенности имитационного математического моделирования динамики автомобиля, математическая модель взаимодействия колесного движителя с недеформируемым основанием, основанная на представлении об эллипсе трения и коэффициенте трения частичного скольжения. Представлены математическая модель движения спецавтомобиля, как твердого тела, пригодная для исследования работоспособности систем активной безопасности автомобиля, математические модели трансмиссий. Приведено сравнение результатов расчетных и экспериментальных данных.

В третьей и четвертой главе приведены результаты теоретических исследований эффективности антиблокировочных, противобуксовочных систем и системы динамической стабилизации (СДС). Разработан алгоритм работы СДС, направленный на предотвращение опрокидывания спецавтомобиля во время выполнения маневров.

Научная новизна результатов исследований, выносимых на защиту, заключается:

• в разработке метода прогнозирования подвижности спецавтомобиля, оснащенного системами активной безопасности, позволяющего на стадии проектирования с использованием имитационного математического моделирования теоретически исследовать характеристики динамики спецавтомобиля в режимах разгона, торможения и при выполнении маневров на ровном горизонтальном основании с произвольными характеристиками сцепления и сопротивления движению;

• в создании математической модели движения автомобиля по ровному горизонтальному основанию, пригодной для исследования эффективности систем активной безопасности на совокупности дорожных условий;

• в разработке алгоритма работы СДС, направленного на предотвращения опрокидывания.

Основные результаты и выводы.

1. Разработан метод прогнозирования подвижности спецавтомобиля, оснащенного системами активной безопасности, позволяющий повысить эффективность конструкторских разработок и сократить сроки доводочных испытаний. Основу метода составляет новая имитационная математическая модель движения спецавтомобиля по ровной опорной поверхности с произвольными, изменяющимися характеристиками сопротивления и сцепления. При этом рассматриваются режимы торможения, разгона, выполнения типовых маневров соответствующие, в том числе, стандартизованным испытаниям. По результатам исследований на основе сравнения расчетных данных с нормативными показателями делается заключение об эффективности использования рассматриваемой системы активной безопасности. Математическая модель позволяет исследовать системы активной безопасности (АБС, ПБС, СДС) с произвольными алгоритмами работы.

2. Сравнением результатов расчетов и экспериментальных данных установлено, что разработанная новая математическая модель движения спецавтомобиля по ровному горизонтальному основанию пригодна для практического использования при исследовании эффективности систем активной безопасности на совокупности дорожных условий. Относительная погрешность по тормозному пути, замедлению при торможении, предельным скоростям выполнения маневров не превышает 15%.

3. Получено новое выражение для описания коэффициента взаимодействия колеса с опорным основанием в зависимости от скольжения, необходимое для исследования динамики автомобиля при движении по связным грунтам. Выражение весьма удобно для использования, поскольку полностью определяется тремя характерными параметрами, определяемыми экспериментально. Доказано, что при математическом моделировании движения автомобиля по ровному опорному основанию использование полученной зависимости позволяет достичь точности, приемлемой для исследования работы систем активной безопасности.

4. По результатам имитационного моделирования движения спецавтомобиля в различных дорожных условиях при торможении, разгоне, выполнении маневров установлено, что применение систем АБС, СДС и ПБС повышает подвижность спецавтомобиля. В тоже время использование систем активной безопасности практически позволяет исключить отрицательное влияние разнесенного по контуру автомобиля бронирования на устойчивость и управляемость. С другой стороны, установка на спецавтомобиль систем активной безопасности в случае, если на базовом шасси использование этих систем не предусмотрено, позволяет разработчикам спецмашин повышать уровень защищенности.

5. Применение АБС позволяет обеспечить устойчивость и управляемость автомобиля при торможении и по предложенному алгоритму добиться значения коэффициента использования тормозной силы равному 0,97. Применением ПБС удается повысить устойчивость автомобиля при разгоне и приемистость до 12%. Применение системы динамической стабилизации с отдельными подсистемами, обеспечивающими траекторную и курсовую устойчивость, позволяет обеспечить неизменность радиуса поворота автомобиля в функции угла поворота руля вне зависимости от условий движения. Доказано, что использование в СДС разработанной подсистемы предотвращения опрокидывания, работающая по критерию не превышения заданного порогового бокового ускорения, позволяет повысить безопасность спецавтомобиля.