Experimental and calculation method for determining traction properties of automobile tires in operation

Abstract

The article describes the possibility of real-time adhesion coefficient versus longitudinal slip estimation in the case of road surface type identifying; the experimental results are presented.

Full Text

Введение Важной характеристикой взаимодействия пневматической шины с опорной поверхностью, на основе которой строятся алгоритмы работы систем активной безопасности, является зависимость коэффициента сцепления в продольном направлении μх от коэффициента относительного проскальзывания sх, или так называемая «μ-s-диаграмма» [1] (в отечественной литературе - «φ-s-диаграмма»). Определение характеристик сцепления в контакте пневматической шины с опорной поверхностью состоит из двух последовательных этапов. Первый этап заключается в получении текущего значения коэффициента сцепления в продольном направлении (µx) и последующем охарактеризовании сцепления при помощи пары значений: коэффициента сцепления (µ) и коэффициента относительного проскальзывания (s) [2]. Для вычисления µ-s характеристики должны быть известны все силы, возникающие в контакте колеса с опроной поверхностью. Предел по сцеплению характеризуется максимальным значением коэффициента сцепления µmax. При отсутствии экстренного торможения или ускорения максимальное значение коэффициента сцепления не может быть достигнуто [3]. По этой причине мы определяем только фактическое значение рассматриваемых параметров в настоящий момент времени. Основная часть В качестве расчетной схемы была использована «велосипедная» схема, в которой скорости переднего и заднего колес равнялись среднему арифметическому скоростей передних и задних колес соответственно: , (1) , (2) где: - средняя арифметическая скорость передних колес (скорость центра передней оси автомобиля); - средняя арифметическая скорость задних колес (скорость центра задней оси автомобиля). Коэффициент относительного проскальзывания в продольном направлении (sх) с учетом только прямолинейного движения и тягового режима, а также того обстоятельства, что объектом испытаний являлся переднеприводный автомобиль, будем рассчитывать следующим образом: , (3) где: - средняя угловая скорость вращения передних колес; - динамический радиус качения колеса. Уравнение движения автомобиля по прямолинейной траектории в тяговом режиме, без учета уклона дорожного полотна, выглядит следующим образом [4]: , (4) где: - масса автомобиля; - линейное ускорение автомобиля в продольном направлении; - суммарная тяговая сила; - суммарная сила сопротивления качению; - сила аэродинамического сопротивления. Суммарная тяговая сила, в свою очередь, может быть рассчитана по формуле: , (5) где: - сцепная масса автомобиля (масса, приходящаяся на ведущие колеса); - ускорение свободного падения. В случае прямолинейного движения в тяговом режиме и относительно небольшими скоростями движения (эксперимент проводился в городских условиях) можно ввести следующие допущения: · сцепная масса переднеприводного/заднеприводного автомобиля постоянна в процессе движения и равна массе, приходящейся на ведущую ось; · сила аэродинамического сопротивления незначительна, и ей можно пренебречь; · сила сопротивления качению может быть заменена приведенной силой сопротивления движению с соответствующим коэффициентом [5]. С учетом допущений, формула (4) примет следующий вид: . (6) Далее получим зависимость для расчета коэффициента сцепления в продольном направлении в настоящий момент времени: . (7) Определять ускорение автомобиля в продольном направлении будем методом численного дифференцирования показаний линейной скорости автомобиля. Для проверки справедливости изложенных положений был спланирован, подготовлен и проведен натурный эксперимент с использованием в качестве объекта испытаний транспортного средства категории М1 Chevrolet Orlando 1.8 LT AT 2012 года выпуска, оснащенного системой сбора и записи данных с бортовой высокоскоростной шины CAN передачи данных [6, 7]. Рассматриваемый автомобиль, как и большинство современных колесных транспортных средств, оснащен в штатной комплектации высокоскоростной шиной CAN передачи данных, которая в данном случае относится к шинам CAN класса «С» со скорость передачи данных 500 Кбит/с. Индивидуальные значения скоростей колес не относятся к стандартизованным параметрам OBD и, соответственно, не могут быть получены с помощью отправки стандартных запросов в ЭБУ ДВС. Однако известно, что автомобиль оборудован системой ABS, которая предполагает наличие соответствующих датчиков скоростей колес, и значит, значения скоростей колес присутствуют в бортовой шине CAN. Для определения сообщений CAN, содержащих значения скоростей колес исследуемого автомобиля, было применено ноу-хау МАДИ «Методика декодирования данных, передаваемых по CAN-шинам транспортных и технологических машин». Были декодированы и впоследствии использовались в расчетах следующие данные: · приведенная линейная скорость движения автомобиля; · линейные скорости четырех колес; · угол поворота рулевого колеса; · положение педали газа; · положение педали тормоза. Поскольку расчеты проводились только для прямолинейного движения, были введены следующие условия выполнения расчетов: · минимальная скорость движения автомобиля - 10 км/ч; · углы поворота рулевого колеса - в пределах ±5 градусов [8]. Рисунок1. Результаты экспериментальных расчетов µx и sx Еще одним условием для расчетов являлся тяговый режим, поэтому расчеты не проводились при нажатии на педаль тормоза и при отсутствии факта нажатия на педаль газа. Испытания проводились в условиях движения в городской среде со скоростями движения не более 80 км/ч. Результаты расчетов фактических коэффициентов сцепления в продольном направлении и коэффициентов относительного проскальзывания для одного ездового цикла представлены на рисунке 1. Для дальнейшего анализа была проведена аппроксимация экспериментальной µx-sx кривой линейной зависимостью и выполнено сопоставление с теоретическими µx-sx характеристиками [9] для определения по углу наклона линейной зоны типа дорожного покрытия, находящегося в настоящее время под колесам автомобиля. Результат сопоставления фактической экспериментально-расчетной характеристики с теоретическими показан на рисунке 2. Рисунок 2. Расчетная µx-sx характеристика, совмещенная с теоретическими По проведенному испытанию не представляется возможным точно установить, по какому типу дорожного покрытия двигался автомобиль, т.к. полученная µx-sx характеристика совпадает с линейными зонами теоретических характеристик, соответствующих движению по сухому асфальту, мокрому асфальту или сухому бетону. В действительности эксперимент проводился на мокром асфальте. В любом случае, было получено экспериментальное подтверждение реализуемости предлагаемого подхода определения сцепных свойств пневматических шин легкового автомобиля в эксплуатации. Результаты и выводы Таким образом, результаты эксперимента подтвердили справедливость разработанной методики, позволив идентифицировать фактическую µx-sx характеристики для дальнейшего определения типа дорожного покрытия, находящегося в данный момент под колесами автомобиля. Методика может быть усовершенствована за счет исключения принятых допущений, а также за счет оценки рассматриваемой характеристики и для процесса торможения [10]. Методика может быть реализована как составное подпрограммное решение систем активной безопасности автотранспортных средств. Данный материал может быть полезен в образовательных целях.