Need to control the air pressure in the tires of automobiles depending on the degree of its workload

Full Text

О необходимости нормирования давления воздуха в пневматических шинах, автоматического управления им без участия человека, и о последствиях несоблюдения данных норм ранее говорилось не раз. Всем известно, что корректировка давления воздуха в шинах в зависимости от условий движения автомобиля является до сих пор открытым вопросом, требующим более тщательного изучения. В предлагаемой статье речь пойдёт о шинах легковых автомобилей. В конструкции любого автомобиля автопроизводитель закладывает определенные пятна контакта шины автомобиля с дорожным полотном. Но эти оптимальные пятна контакта колеса и дороги изменяются под действием многих факторов, два из которых самые значимые: загрузка автомобиля и скорость движения автомобиля. Для обеспечения оптимального пятна контакта с дорогой при загрузке автомобиля автопроизводитель задает в конструкции необходимые значения давления воздуха в шинах передней и задней осей автомобиля. Но эти значения соответствуют минимальному и максимальному давлению в шинах, которое необходимо выставить при минимальной и максимальной загрузке автомобиля соответственно. Но как было сказано ранее, существует множество значений тп, входящих в предел тmin≤mn≤mmax, которым заданные автопроизводителем давления pmin и pmax, соответствующие значениям тmin и mmax, не будут удовлетворять (тmin - минимальная загрузка; pmin - минимальное давление соответствующее тmin; тmax - максимальная загрузка; pmax - минимальное давление соответствующее тmax). Было установлено, что изменение пятна контакта от загрузки автомобиля в допустимом автопроизводителем диапазоне тmin≤mn≤mmax можно считать линейным. Также была выведена зависимость, что для каждого mn существует оптимальное значение pn, которое будет обеспечивать оптимальное пятно контакта: . (1) Вторым фактором, влияющим на изменение пятна контакта, является скорость движения автомобиля. С увеличением скорости движения автомобиля линейно возрастает угловая скорость вращения колес. С ростом угловой скорости колеса увеличивается центростремительная сила, действующая на шину. Под действием центростремительной силы изменяется пятно контакта шины с опорной поверхностью. Было установлено, что процесс увеличения центростремительной силы для различных типоразмеров шин легковых автомобилей практически идентичен. Процесс изменения центростремительной силы для различных типоразмеров шин показан на рисунке 1. Рисунок 1. Зависимость центростремительной силы, действующей на брекер и протекторный слой шины, от скорости автомобиля: 1 - шина размерностью 205/55/R15; 2 - шина размерностью 215/60/R16; 3 - шина размерностью 205/55/R16; 4 - шина размерностью 215/55/R16; 5 - шина размерностью 215/45/R16 На основании рисунка 1 можно смело утверждать, что увеличение центростремительной силы имеет квадратичную зависимость и может быть представлено в виде следующей формулы: , (2) где: Fn - центростремительная сила, действующая на шину в пятне контакта шины c опорной поверхностью, V - скорость движения автомобиля. Также из графика (рисунок 1) видим, что до скорости движения автомобиля 40 км/ч центростремительная сила практически не изменяется и остается постоянной. Далее наблюдается заметное ее увеличение по параболе. Под действием центростремительной силы нарушается пятно контакта шины автомобиля с опорной поверхностью. Можно утверждать, что изменение пятна контакта шины описывается такой же зависимостью, что и изменение центростремительной силы. Для сохранения оптимального пятна контакта при движении автомобиля с высокими скоростями автопроизводитель рекомендует повышать давление в шинах от номинального значения на 10…15%. Но в реальной жизни движение автомобиля с заранее запланированной постоянной скоростью практически невозможно. Зачастую происходит неравномерное или смешанное движение с изменением скорости от начала движения до максимальной скорости и от максимальной скорости до полной остановки автомобиля. В городской зоне происходит умеренное движение с частыми остановками, а вне населенных пунктов скорости движения автомобилей, как правило, значительно возрастают, вплоть до максимально возможных, определяемых параметрами их силовых установок. Предварительное принудительное повышение давления в шинах, т.е. перед началом движения, не всегда оправдано и небезопасно. Автомобиль на заведомо «перекаченных» и «непрогретых» шинах с момента начала движения до достижения оптимальной скорости может повести себя непредсказуемо. Заранее заданное заведомо избыточное давление воздуха в шинах может спровоцировать заметное ухудшение устойчивости, управляемости, комфортабельности, увеличение тормозного пути, а следовательно, и снижение безопасности автомобиля в целом. Системы автоматического регулирования давления в шинах автомобиля в зависимости от изменения скорости автомобиля до сих пор в мире не существует. Зная зависимость изменения центростремительной силы, действующей на шину, от скорости движения автомобиля, можно построить график оптимального увеличения давления в шинах автомобиля в зависимости от скорости движения, а также разработать алгоритм автоматического регулирования давления в шинах. Данное мероприятие позволит сохранять оптимальное пятно контакта шины с опорной поверхностью, а следовательно, улучшит показатели устойчивости и управляемости автомобиля. Но, т.к. в реальной жизни автомобиль движется не всегда с минимальной или максимальной загрузкой, а чаще всего загрузка меняется в диапазоне тmin≤mn≤mmax, притом непредсказуемо, поэтому для начального mn существует начальное pnо. На рисунке 2 изображен график оптимального изменения повышения давления в шинах автомобиля при минимальной и максимальной загрузке автомобиля. Рисунок 2. Желаемое изменение значения давления воздуха в шине в зависимости от скорости автомобиля На этом рисунке приняты следующие обозначения: po.min - минимальное давление в шинах, соответствующее минимальной загрузке автомобиля; pо.max - минимальное давление в шинах, соответствующее максимальной загрузке автомобиля; po.n - начальное давление в шине автомобиля, соответствующее данной загрузке автомобиля, входящее в предел тmin≤mn≤mmax; Vo.min - скорость автомобиля с минимальной загрузкой, до которой давление в шинах остается неизменным и соответствует po.min; Vо.max - скорость автомобиля с максимальной загрузкой, до которой давление в шинах остается неизменным и соответствует pо.max; Vo.n - скорость автомобиля с загрузкой, входящей в диапазон тmin≤mn≤mmax, до которой давление в шинах остается неизменным и соответствует po.n; Vср - скорость автомобиля, входящая в диапазон Vо.max≤ Vср≤ Vmax. Vср=const (Задается автопроизводителем самостоятельно. Данное значение скорости необходимо задать для дальнейшего построения алгоритма автоматического регулирования давления в шинах.); pср.min - давление в шинах, соответствующее минимальной загрузке автомобиля при скорости Vср; pср.max - давление в шинах, соответствующее максимальной загрузке автомобиля при скорости Vср; pср.n - давление в шинах, соответствующее начальному давлению po.n при скорости Vср; Vmax - максимальная скорость автомобиля; pmax - давление в шинах при скорости Vmax. Значения скорости Vo.n находим по формуле: , (3) а значения давления pср.n - по формуле: , (4) где: d = const - коэффициент данного уравнения, находится следующим образом: . (5) Для каждого начального pnо существует своё квадратичное уравнение для построения графика изменения давления pn во время движения автомобиля в зависимости от изменения скости движения автомобиля: , (6) где: pn - давление воздуха в шине; V - скорость автомобиля; a; b; c - коэффициенты данного уравнения. Коэффициенты уравнения a, b, c находятся следующим образом: , (7) , (8) . (9) Зная принципы изменения давления в шинах в зависимости от скорости автомобиля, обеспечивающие оптимальные показатели пятна контакта шины с дорогой, а также уравнение, по которому осуществляется данное изменение, можно построить алгоритм автоматического регулирования. Алгоритм автоматического регулирования давления в шинах автомобиля в зависимости от скорости его движения изображен на рисунке 3. Представленный алгоритм работает по следующему принципу. После запуска двигателя автомобиля идет сбор данных с датчиков о параметрах давления воздуха (газа) в каждой шине автомобиля и нагрузках, приходящихся на переднюю и заднюю оси автомобиля. После этого электронный блок управления определяет начальные давления po.n. п.о. для шин передней оси и po.n. з.о. для шин задней оси автомобиля по формуле (1). Исполнительные устройства доводят необходимые значения давлений в каждой шине автомобиля до соответствующих po.n. п.о. для шин передней оси и po.n. з.о. для шин задней оси соответственно. После начала движения автомобиля, имея значения po.n. п.о. и po.n. з.о., электронный блок управления для шин каждой оси автомобиля может построить функцию по формуле (6), по которой будет происходить доведение и корректировка давления в шинах каждой из осей автомобиля с увеличением скорости, предварительно рассчитав коэффициенты a по формуле (7), b по формуле (8) и c по формуле (9). Величина pn.п.о соответствует необходимому задаваемому давлению в шинах для передней оси и pn.з.о. - необходимому задаваемому давлению в шинах для задней оси. Далее осуществляется постоянная корректировка и поддерживание заданного давления в каждом из колес, т.е. непосредственное управление давлением воздуха в шинах всех колес. При отклонении заданного значения давления pn от соответствующего скорости Vn хотя бы в одной из шин происходит автоматическая корректировка давления исполнительными устройствами. Рисунок 3. Алгоритм управления давлением воздуха в шинах легкового автомобиля в зависимости от скорости его движения

About the authors

P. A. Krasavin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
Ph.D.; +7 495 223-05-23, ext. 1587

A. Y. Smirnov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
+7 495 223-05-23, ext. 1587

References

Supplementary files